JVM运行时数据区域解析

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙，墙外面的人想进去，墙里面的人想出来。

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数据区域。这些区域都有各自的用途，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。

 

 

 

所有线程共享数据区

线程隔离数据区

 

一、程序计数器（寄存器）

• 当前线程所执行的字节码行号指示器
• 字节码解释器工作依赖计数器控制完成
• 通过执行线程行号记录，让线程轮流切换各条线程之间计数器互不影响

/***add by 2014年2月23日10:04:59 
线程私有，生命周期与线程相同，随线程启动而生，线程关闭而死
thanks for thinkblog's warn*/

/***deleted by 2014-2-23 10:07:56
线程私有，生命周期与线程相同，随JVM启动而生，JVM关闭而死
*/

• 线程执行Java方法时，记录其正在执行的虚拟机字节码指令地址
• 线程执行Nativan方法时，计数器记录为空（Undefined）
• 唯一在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况区域

 

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多喝处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响、独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。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。

 

二、Java虚拟机栈

• 线程私有，生命周期与线程相同
• 用于存储局部变量、操作栈、动态链接、方法出口
• 每一个方法被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从入栈到出栈的过程

 

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Vitual Machine Stacks）也是线程私有的，他的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被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从入栈到出栈的过程。

 

局部变量表存放了编译器克制的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（Object reference）和字节码指令地址（returnAddress类型）。

 

在Java虚拟机规范中，对于此区域规定了两种异常状况：

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；

如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

If the computation in a thread requires a larger Java stack or native method stack than is permitted, the Java virtual machine throws a StackOverFlowError in Oracle JVM, OutOfMemoryError in IBM JVM, using –Xss<size> to set the maximum stack size.

The default is 256 KB for 32-bit JVMs and 512 KB for 64-bit JVMs.

 

三、本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用非常类似，区别在于虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

本节内容非Java核心，不做仔细讨论。

 

四、Java堆

• Java堆（java heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块
• 它是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建
• The heap is the runtime data area from which memory for all class instances and arrays is allocated.

 

Java堆是垃圾收集管理的主要战场。根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的。（通过-Xmx和-Xms控制）

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

 

五、方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。