Java内存区域

Java内存区域

    前言

    Java内存区域是指 JVM运行时将数据分区域存储 ，简单的说就是不同的数据放在不同的地方。通常又叫运行时数据区域。

    一、Java内存区域

   Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。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：

   

   如上图所示，运行时数据区被划分成为五块，分别是线程私有区域：程序计数器、java 虚拟机栈、本地方法栈，以及线程共享区域：java堆、方法区。

   说明：

   Java 虚拟机规范对于运行时数据区域的规定是相当宽松的。以堆为例：堆可以是连续空间，也可以不连续。堆的大小可以固定，也可以在运行时按需扩展 。虚拟机实现者可以使用任何垃圾回收算法管理堆，甚至完全不进行垃圾收集也是可以的。

   二、不同版本下Java内存区域的差异

   JDK1.7 把原本放在方法区的常量池、静态变量转移到了堆，而到了 JDK1.8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替，把JDK中永久代还剩余的内容（主要是类信息）全部移到元空间中。

  各版本之间的差异如下图：

   JDK1.8:

   三、运行时数据区域的各自用途

   接下来我们来逐一看看这些被划分的区域的用途。

   1.  程序计数器（Program Counter Register）

   程序计数器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。由于JVM可以并发执行线程，因此会存在线程之间的切换，而这个时候就程序计数器会记录下当前程序执行到的位置，以便在其他线程执行完毕后，恢复现场继续执行。

  JVM会为每个线程分配一个程序计数器，与线程的生命周期相同。如果线程正在执行的是应该Java方法，这个计数器记录的是正在执行虚拟机字节码指令的地址。如果正在执行的是Native方法，计数器的值则为空（undefined）

  程序计数器是唯一一个在《 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 （Java Virtual Machine Stack）

   2.1  什么是虚拟机栈

   虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的线程内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame，是方法运行时的基础数据结构）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

  虚拟机栈是每个线程独有的，随着线程的创建而存在，线程结束而死亡。

   如下图：

   

 

    虚拟机栈包含很多栈帧，每个方法执行的同时会创建一个栈帧，栈帧又存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。

    在活动线程中，只有位于栈顶的栈帧才是有效的，称为当前栈帧，与这个栈帧相关联的方法称为当前方法。

    2.2 异常情况

    在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常情况：

    1） 栈深度溢出：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）栈扩展失败：如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

    2.3 栈帧的组成

    1）局部变量表

    局部变量表是存放方法参数和局部变量的区域。

    全局变量是放在堆的，有两次赋值的阶段，一次在类加载的准备阶段，赋予系统初始值；另外一次在类加载的初始化阶段，赋予代码定义的初始值。而局部变量没有赋初始值是不能使用的。

    2）操作数栈

    一个先入后出的栈。

    当一个方法刚刚开始执行的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，也就是出栈/入栈操作。

    3）动态连接

　 每个栈帧都包含一个指向运行时常量池（常量池可以便于指令的识别）中该栈帧所属方法的引用。持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接(Dynamic Linking)。

    方法调用并不等同于方法执行，方法调用阶段唯一的任务就是确定被调用方法的版本(即调用哪一个方法)，这也是Java强大的扩展能力，在运行期间才能确定目标方法的直接引用。

    所有方法调用中的目标方法在Class文件里面都是一个常量池中的符号引用，在类加载的解析阶段，会将其中的一部分符号引用转化为直接引用。

    4）方法返回地址（方法出口）

    返回分为 正常返回 和 异常退出。

    无论何种退出情况，都将返回至方法当前被调用的位置，程序才能继续执行。

   一般来说，方法正常退出时，调用者的PC计数器的值可以作为返回地址，栈帧中会保存这个计数器值。

   方法退出的过程相当于弹出当前栈帧。

   3. 本地方法栈（Native Method Stacks）

   本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别是Java虚拟机栈是调用Java方法；本地方法栈是调用本地native方法，可以认为是通过 JNI (Java Native Interface) 直接调用本地 C/C++ 库，不受JVM控制。

   如下图：

    

   异常情况：

   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。

   二、堆 heap

   1. Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

   2. 堆是垃圾收集器管理的主要区域，又称为“GC堆”，可以说是Java虚拟机管理的内存中最大的一块。

   3. 现在的虚拟机（包括HotSpot VM）都是采用分代回收算法，详情请参考文章《垃圾回收算法-通用的分代垃圾回收机制》。在分代回收的思想中， 把堆分为：新生代+老年代+永久代（1.8没有了）； 新生代 又分为 Eden + From Survivor + To Survivor区。

   三、方法区method area

   1.  方法区与 Java 堆一样，是所有线程共享的内存区域。

   2. 方法区用于存储已经被虚拟机加载的类信息（即加载类时需要加载的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

   3. 方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常又叫“非堆”（Non-Heap）。

   4. 方法区比较重要的一部分是运行时常量池（Runtime Constant Pool），为什么叫运行时常量池呢？是因为运行期间可能会把新的常量放入池中，比如说常见的String的intern()方法。 

   运行时常量池是方法区的重要组成部分，主要用于存放类的编译期生成的各种字面量（如字符串、数字等）和符号引用（如类名、方法名、字段名等）。这些常量在编译时由字节码生成，并在类加载时放入运行时常量池中，供 JVM 在运行时使用。 

   然而，之所以称为“运行时常量池”，是因为它不仅仅存储编译期的常量，还允许在运行时向常量池动态添加内容。

   四、举个例子

   我们看下在Java程序运行过程中，各内存区域是如何工作的？

   

 

   参考链接：
   https://javaguide.cn/java/jvm/memory-area.html