JVM运行时数据区域详解

参考文章：

• 《Java Se11 虚拟机规范》
• 《深入理解Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践 第3版》- 周志明

本文基于Java Se 11讲解。

根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：

对于不同的虚拟机实现，在运行时数据区的实现上并不完全相同。对于常用的HotSpot虚拟机来说，它的运行时数据区如下：

主要区别在于，HotSpot使用了直接使用本地内存（即机器本身内存）的元空间（metaspace）来实现方法区。

下面针对每个具体的数据区域进行详细的介绍。

1. 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

JVM可以同时支持多个执行线程。每个Java虚拟机线程都有自己的pc（程序计数器）寄存器。在任何时候，每个Java虚拟机线程都在执行单个方法的代码，即该线程的当前方法。如果该方法不是native方法，则pc寄存器包含当前正在执行的Java虚拟机指令的地址。如果线程当前正在执行的方法是native的，则pc寄存器的值为undefined。Java虚拟机的pc寄存器足够宽，可以容纳特定平台上的returnAddress或native指针。

此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2. Java虚拟机栈

与程序计数器一样，是线程私有的，生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型。

「虚拟机栈」里面的每条数据就是「栈帧」，在 Java 方法执行的时候则创建一个「栈帧」并入栈「虚拟机栈」。调用结束则「栈帧」出栈。

每个栈帧包含四个区域：

1. 局部变量表：存储了方法执行过程中需要用到的所有局部变量
2. 操作数栈：暂存变量，通过变量的入栈、出栈等操作来执行计算
3. 动态连接：翻译符号引用为直接引用，即把一个字面量翻译为运行时的一个地址引用
4. 返回地址

每个线程拥有一个「虚拟机栈」，每个「虚拟机栈」拥有多个「栈帧」，而栈帧则对应着一个方法。每个「栈帧」包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址。方法运行结束则意味着该「栈帧」出栈。

在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：

1. 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；
2. 如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展(HotSpot虚拟机的栈容量不能动态扩展)，当栈尝试扩展时无法申请到足够的内存，或为一个新线程初始化JVM栈时没有足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

3. 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定，因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它，甚至有的Java虚拟机（譬如Hot-Spot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4. Java堆

所有线程共享，虚拟机启动时创建。唯一的目的是用于存放对象实例和数组，绝大部分对象实例在堆上分配内存。

在 Java 中，数组也是对象。

现代垃圾收集器大部分基于分代收集理论设计。“新生代”、“老年代”这些名词仅仅是一部分GC的设计风格，而不是《Java虚拟机规范》定义的。而从G1收集器出现之后，出现了不采用分代设计的新垃圾收集器。

JDK8之后Class对象、static变量、字符串常量池都放在堆里。

static变量作为类的信息，存储在Class对象里。

Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。普通对象会在堆上分配。对于基本数据类型，如果是局部变量，则会在栈上分配。其他情况，通常在在堆上分配，逃逸分析的情况下可能会在栈分配。

如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

4.1 字符串常量池

字符串常量池是由String类维护的一个字符串池。是一种池化思想的实现，是为了节省重复创建字符串对象的性能开销和内存空间。

每当代码创建字符串常量时，JVM会首先检查字符串常量池。如果字符串已经存在池中，就返回池中的实例引用。如果字符串不在池中，就会实例化一个字符串并放到池中。Java能够进行这样的优化是因为字符串是不可变的，可以不用担心数据冲突进行共享。

字符串常量池从JDK7开始挪到了堆中。

可以通过调用String.intern()方法把一个字符串对象放到字符串常量池中。如果池中已经存在相等的对象，则会返回已存在对象的引用；否则会把这个字符串对象加入到池中，并返回新加入的字符串对象的引用。

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String s = new String("hello")会创建几个对象？

如果字符串常量池中没有"hello"，则生成2个，否则只生成一个。

String s = new String("abc"); System.out.println((s.intern() == s));打印结果是什么？

打印结果为false。s指向的是堆中的对象，s.intern()返回的是字符串常量池中的对象的引用。

4.2 字面量和常量

字面量(literal) ：用于表达源码中的一个固定值的符号(notation)。如整数、浮点数及字符串等。如1、0x01是整数字面量，Hello World是字符串字面量。

常量：在java中，final修饰的变量也可以被称为是常量。任何具有不变性的东西都可以称为常量。如String对象是常量。

对象池：是Java语言层面实现的，如Integer.valueOf()（Integer i = 10也会调该方法）会使用IntegerCache的缓存对象。如果使用new Integer(10)则不会使用对象池中的实例。

字符串常量池：类似于对象池，但它是JVM层面的技术。字符串常量池的实现是c++实现的StringTable，实际上是一个固定容量的Hashtable，每一个bucket包含一系列相同hash码的字符串。

5. 方法区

用于存储被JVM加载的class的元数据信息，比如类的结构、运行时的常量池、字段、常量、方法数据、方法构造函数以及接口初始化等特殊方法。还有JIT编译器编译后的代码缓存等数据。

JDK8之前，HotSpot采用永久代的概念实现方法区，JDK8开始废弃了永久代的概念，改用在本地内存(Native Memory)中实现的元空间(Meta-space)来代替。

方法区的GC比较少出现，回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

5.1 运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。