JVM 运行时数据区域

C语言的阴影

还记得刚进大学的时候，以为这个世界上最难学的不过C语言了。尽管后来陆续学了很多的更难的课程，尽管慢慢掌握了计算机的很多原理之后，回头来看C语言，似乎没那么难理解，可当年初学C语言时的“阴影”，这么多年来，一直没有散去。

我经常还能想到几年前，懒散的趴在逸夫教学楼F1教室最后一排的座位上，听兰书敏老师讲着“戏院”（C语言）的场景。兰老师问到：“你们怎么都不吭声？到底是哪里听不懂？”老师，学生当时真是哪哪儿都没听懂啊。

 

身在Java，心在C（Java大神勿喷，C对我来说，真是一种情怀）

没想到，工作一年多的时间里，用的最多的语言不是对我影响最大的C，而是大学毕业之后现学现卖的Java。所以我对C和Java都算有一点了解。

 

一条有意思的Java面试题

前几天在搜索一个问题的解决方案时，偶然看到一个Java面试题，觉得网上绝大多数解释，有些浮于表面。而真神们又不屑于解释这些无聊的问题，所以觉得有必要站在一个“双修（残废）”者的角度，谈谈这个问题。

 

Java内存分配

在解释这个问题之前，我想简单的记录一下Java虚拟机对内存的分配管理。

网上有很多关于Java内存管理的讲解，但不知道为什么，大多数作者并没有系统的讲解，有些过于散碎。

我们先来看看这张图（我不会画图，画的太丑，各位受累受累了）。简单的说，Java运行时内存区域，就由上面几部分构成。青绿色标记的，是每个线程私有的内存区域，其他的为线程共享的内存区域。我们先简单的依次说明每个部分是用来存什么的，最后再用一个简单的例子，将各个部分结合起来简单介绍其内存分配的基本过程。

首先，程序计数器（pc）。这个东西对于很多开发者来说，再熟悉不过了，尽管不同领域的pc，具体用法上存在一些小小的差异，但总的来说，pc是用来记录程序运行到哪里了，下一步又该执行哪一步操作。pc占据的内存是线程级的，即随线程的创建而产生，随线程的销毁而销毁（被回收）。

其次JVM栈和本地方法栈。这两个栈在存储结构上，基本相同，以至于很多的JVM产商，将二者合而为一。JVM栈，顾名思义，是用来存储Java方法运行过程中使用的栈数据，本地方法栈就是用来存储本地方法执行过程中的栈数据。栈中存储的数据，是一种被称为“栈帧”的东西。栈帧主要包括：局部变量表和操作数栈。栈帧的入栈和出栈，分别意味着一个方法的执行与结束。

接着，我们来看看方法区。方法区主要是用来存类型数据的，与类型相关的东西，比如常量，静态变量，编译后的代码等，基本都存储在这一区域。而因为“无用类”的判断条件非常苛刻（有三点，第一，该类无可达对象，第二，该类的ClassLoader已被回收，第三，该类的Class对象无引用），这个区域存储的内容很难会被回收，所以你可能会在很多地方看到“永久代”一词，其实说的主要也就是这个方法区。方法区中，有个特殊的区域，被划分（逻辑划分，不一定为物理划分）出来，即“运行时常量池”。运行时常量池，保存着字面量，符号引用等。方法区是线程共享的，随JVM启动而创建，JVM退出而销毁。

最后，是这个堆。堆，在很多领域也有用到。在Java中，堆，是用来存储对象的相关内容，包括对象的对象头和实例数据（数组对象还有一个数组的长度）。不同的JVM实现，对象可能还包括类型指针（指向对象所属的类型信息，存在方法区中）和占位符（虚拟机实现可能需要内存对齐）等。

 

一个简单的例子

public void test (int result, int num) {
    TestClassB classB = new TestClassB();
    classB.methodB(); 
}

public class TestClassB {
    public void methodB(result, num) {
        int finalResutl = result + num;
        ......
    }
}

//author: Feng_zhulin
//http://cnblogs.com/zhulin-jun

现在假设线程A在执行test方法，并已经执行到TestClassB classB = new TestClassB()。首先，会去判断类TestClassB有没有被加载到方法区中，如果没有，先加载类（类的加载过程不详细说明，有空可以写篇Java类加载过程的博客）入方法区；然后因为执行的是new操作，需要创建一个对象，这时候需要在堆上申请内存（内存分配有很多方案，需要考虑多线程下的线程安全问题等诸多因素，不详细阐述），用于存放对象的相关数据（对象头，实例数据，类型指针，占位符等）；再然后为TestClassB的成员赋“零值”（不同类型的数据，零值不同，基本数据类型int的零值为0，引用类型的零值为null，等）；最后，设置对象头。这样对于JVM来说，对象就创建成功了（后面就是执行类的构造方法了，那是属于Java语言层面的创建对象的过程）。

上面总提及一个叫做“对象头”的东西，这个东西跟对象本身没有什么关系，存储的是对象的运行时数据，包括对象的hashcode，对象的锁状态，对象持有的锁等等。比如对象的hashcode，用于指定对象的唯一性，在GC和对象定位等过程中都会用到。

 

接着，pc加一（此处加一，表示的是加上一个JVM指令的位数，表示的是下一个指令的内存地址），执行下一步：classB.methodB()；这是一个方法调用。正如上面所说，方法的执行和结束，意味着方法栈中，栈帧的进栈和出栈。

 

好滴好滴，又到看图的时候了（捂脸，我不仅不会画图，还没有好用的画图工具，求推荐mac的良心画图工具，如果不是免费的，我只接受有破解版的）。对象在堆中存放，然而，对象的操作，方法的执行，就进入了“栈”。调用methodB()时，methodB()栈帧进栈，栈帧包含局部变量表和操作数栈。因为这个地方的methodB()不是类方法，所以，局部变量表的第一个变量为调用该方法的类，即classB(this)。操作数栈用于进行当前数据操作，操作结果出操作数栈，并保存进局部变量表。

例子就这样简单的结束了，总的来说，就是类进入方法区，创建的对象在堆中，方法执行的时候，在方法栈中。

 

下面，我们来看这个有意思的Java面试题。

当一个对象被当作参数传递到一个方法后，此方法可改变这个对象的属性，并可返回变化后的结果，那么这里到底是值传递还是引用传递？

网上的标配答案：是值传递。Java语言的方法调用只支持参数的值传递。当一个对象实例作为一个参数被传递到方法中时，参数的值就是对该对象的引用。对象的属性可以在被调用过程中被改变，但对对象引用的改变是不会影响到调用者的。

其实这确实是一个很无聊的问题，本来也没有太当回事，但是一来，这个问题下面的追问者很多，我查了下知乎，对这个问题的提问者和回答人也很多；二来，答案不够准确，或者说是，没讲到点子上，有人甚至拿《Java核心卷》里的三句话作为答案。

《Java核心卷》对这种问题有如下三句话的描述：

1.一个方法不能修改一个基本数据类型的参数
2.一个方法可以改变一个对象参数的状态
3.一个方法不能让对象参数引用一个新的对象

无可厚非，这三句话总结的很经典，但是这只是简单的说出了结论，原因呢？就用这三句话解释这个问题，给初学者带来的感觉，只是，哦，原来Java还有这么一个定理（限制）。那么一个个由JVM规范导致的结果，都成了需要死记硬背的“定理”。

public class Program {
        public static void swap(String x, String y) {
            String temp = x;
            x = y;
            y = temp;
        }

        public static void main (String[] args) {
            String a = "testa";
            String b = "testb";
            swap (a, b);
        }
}

//author: Feng_zhulin
//http://cnblogs.com/zhulin-jun

我们接着看这段代码，将它还原到内存中。

图中“0x”开头的是十六进制的内存地址，随便举的例子。在main()方法调用swap()方法的时候，只是将main的局部变量表中的a和b的值（指向运行时常量池的地址）拷贝到swap的局部变量表中的x和y，在swap的局部变量表中进行的换值操作，并未对main局部变量表起作用，所以，在swap退出前，x的值是“testb”， y的值是“testa”，x与y的值互换了，但a与b的值并没有因此而改变。当然，swap退出之后，相应的局部变量表会被回收，也就没有所谓的x和y了。

这是这个问题所真正涉及的知识点，我很认同知乎上那位朋友的话，没有必要非得分出个所谓的“值传递”和“引用传递”。

这边我顺便提一点在C中，是怎么做到交换上面例子中a和b这两个值的。

在C中有一个很神奇的东西，名字叫“指针”。可以很简单的认为，它就是地址。那么“指针的指针”，就是“地址的地址”。上面以“0x”开头的数据，就是内存地址，如果将这个地址赋值给一个C中的变量，那么这个变量就称为指针变量。那么我们完全可以通过指针，透过中间变量，直接操作a和b中存储的内容（此处说的是地址），甚至是直接操作到“testa”和“testb”。

C语言因指针而美丽，却也因指针而复杂。Java解决了C中内存需要开发者自己管理的问题，也去除了指针的概念，让程序出错的概率大幅度降低，却也因为没有指针，在我这种装了两个半桶浆糊的人眼中，很多地方变的不可思议的臃肿和麻烦。