JVM的內存區域劃分

學過C語言的朋友都知道C編譯器在劃分內存區域的時候經常將管理的區域劃分為數據段和代碼段，數據段包括堆、棧以及靜態數據區。那么在Java語言當中，內存又是如何劃分的呢？

由于Java程序是交由JVM執行的，所以我們在談Java內存區域劃分的時候事實上是指JVM內存區域劃分。在討論JVM內存區域劃分之前，先來看一下Java程序具體執行的過程：

如上圖所示，首先Java源代碼文件(.java后綴)會被Java編譯器編譯為字節碼文件(.class后綴)，然后由JVM中的類加載器加載各個類的字節碼文件，加載完畢之后，交由JVM執行引擎執行。在整個程序執行過程中，JVM會用一段空間來存儲程序執行期間需要用到的數據和相關信息，這段空間一般被稱作為Runtime Data Area（運行時數據區），也就是我們常說的JVM內存。因此，在Java中我們常常說到的內存管理就是針對這段空間進行管理（如何分配和回收內存空間）。

在知道了JVM內存是什么東西之后，下面我們就來討論一下這段空間具體是如何劃分區域的，是不是也像C語言中一樣也存在棧和堆呢？

一.運行時數據區包括哪幾部分？

根據《Java虛擬機規范》的規定，運行時數據區通常包括這幾個部分：程序計數器(Program Counter Register)、Java棧(VM Stack)、本地方法棧(Native Method Stack)、方法區(Method Area)、堆(Heap)。

如上圖所示，JVM中的運行時數據區應該包括這些部分。在JVM規范中雖然規定了程序在執行期間運行時數據區應該包括這幾部分，但是至于具體如何實現并沒有做出規定，不同的虛擬機廠商可以有不同的實現方式。

二.運行時數據區的每部分到底存儲了哪些數據？

下面我們來了解一下運行時數據區的每部分具體用來存儲程序執行過程中的哪些數據。

1.程序計數器

程序計數器（Program Counter Register），也有稱作為PC寄存器。想必學過匯編語言的朋友對程序計數器這個概念并不陌生，在匯編語言中，程序計數器是指CPU中的寄存器，它保存的是程序當前執行的指令的地址（也可以說保存下一條指令的所在存儲單元的地址），當CPU需要執行指令時，需要從程序計數器中得到當前需要執行的指令所在存儲單元的地址，然后根據得到的地址獲取到指令，在得到指令之后，程序計數器便自動加1或者根據轉移指針得到下一條指令的地址，如此循環，直至執行完所有的指令。

雖然JVM中的程序計數器并不像匯編語言中的程序計數器一樣是物理概念上的CPU寄存器，但是JVM中的程序計數器的功能跟匯編語言中的程序計數器的功能在邏輯上是等同的，也就是說是用來指示 執行哪條指令的。

由于在JVM中，多線程是通過線程輪流切換來獲得CPU執行時間的，因此，在任一具體時刻，一個CPU的內核只會執行一條線程中的指令，因此，為了能夠使得每個線程都在線程切換后能夠恢復在切換之前的程序執行位置，每個線程都需要有自己獨立的程序計數器，并且不能互相被干擾，否則就會影響到程序的正常執行次序。因此，可以這么說，程序計數器是每個線程所私有的。

在JVM規范中規定，如果線程執行的是非native方法，則程序計數器中保存的是當前需要執行的指令的地址；如果線程執行的是native方法，則程序計數器中的值是undefined。

由于程序計數器中存儲的數據所占空間的大小不會隨程序的執行而發生改變，因此，對于程序計數器是不會發生內存溢出現象(OutOfMemory)的。

2.Java棧

Java棧也稱作虛擬機棧（Java Vitual Machine Stack），也就是我們常常所說的棧，跟C語言的數據段中的棧類似。事實上，Java棧是Java方法執行的內存模型。為什么這么說呢？下面就來解釋一下其中的原因。

Java棧中存放的是一個個的棧幀，每個棧幀對應一個被調用的方法，在棧幀中包括局部變量表(Local Variables)、操作數棧(Operand Stack)、指向當前方法所屬的類的運行時常量池（運行時常量池的概念在方法區部分會談到）的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(Return Address)和一些額外的附加信息。當線程執行一個方法時，就會隨之創建一個對應的棧幀，并將建立的棧幀壓棧。當方法執行完畢之后，便會將棧幀出棧。因此可知，線程當前執行的方法所對應的棧幀必定位于Java棧的頂部。講到這里，大家就應該會明白為什么 在 使用 遞歸方法的時候容易導致棧內存溢出的現象了以及為什么棧區的空間不用程序員去管理了（當然在Java中，程序員基本不用關系到內存分配和釋放的事情，因為Java有自己的垃圾回收機制），這部分空間的分配和釋放都是由系統自動實施的。對于所有的程序設計語言來說，棧這部分空間對程序員來說是不透明的。下圖表示了一個Java棧的模型：

局部變量表，顧名思義，想必不用解釋大家應該明白它的作用了吧。就是用來存儲方法中的局部變量（包括在方法中聲明的非靜態變量以及函數形參）。對于基本數據類型的變量，則直接存儲它的值，對于引用類型的變量，則存的是指向對象的引用。局部變量表的大小在編譯器就可以確定其大小了，因此在程序執行期間局部變量表的大小是不會改變的。

操作數棧，想必學過數據結構中的棧的朋友想必對表達式求值問題不會陌生，棧最典型的一個應用就是用來對表達式求值。想想一個線程執行方法的過程中，實際上就是不斷執行語句的過程，而歸根到底就是進行計算的過程。因此可以這么說，程序中的所有計算過程都是在借助于操作數棧來完成的。

指向運行時常量池的引用，因為在方法執行的過程中有可能需要用到類中的常量，所以必須要有一個引用指向運行時常量。

方法返回地址，當一個方法執行完畢之后，要返回之前調用它的地方，因此在棧幀中必須保存一個方法返回地址。

由于每個線程正在執行的方法可能不同，因此每個線程都會有一個自己的Java棧，互不干擾。

3.本地方法棧

本地方法棧與Java棧的作用和原理非常相似。區別只不過是Java棧是為執行Java方法服務的，而本地方法棧則是為執行本地方法（Native Method）服務的。在JVM規范中，并沒有對本地方發展的具體實現方法以及數據結構作強制規定，虛擬機可以自由實現它。在HotSopt虛擬機中直接就把本地方法棧和Java棧合二為一。

4.堆

在C語言中，堆這部分空間是唯一一個程序員可以管理的內存區域。程序員可以通過malloc函數和free函數在堆上申請和釋放空間。那么在Java中是怎么樣的呢？

Java中的堆是用來存儲對象本身的以及數組（當然，數組引用是存放在Java棧中的）。只不過和C語言中的不同，在Java中，程序員基本不用去關心空間釋放的問題，Java的垃圾回收機制會自動進行處理。因此這部分空間也是Java垃圾收集器管理的主要區域。另外，堆是被所有線程共享的，在JVM中只有一個堆。

5.方法區

方法區在JVM中也是一個非常重要的區域，它與堆一樣，是被線程共享的區域。在方法區中，存儲了每個類的信息（包括類的名稱、方法信息、字段信息）、靜態變量、常量以及編譯器編譯后的代碼等。

在Class文件中除了類的字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池，用來存儲編譯期間生成的字面量和符號引用。

在方法區中有一個非常重要的部分就是運行時常量池，它是每一個類或接口的常量池的運行時表示形式，在類和接口被加載到JVM后，對應的運行時常量池就被創建出來。當然并非Class文件常量池中的內容才能進入運行時常量池，在運行期間也可將新的常量放入運行時常量池中，比如String的intern方法。

在JVM規范中，沒有強制要求方法區必須實現垃圾回收。很多人習慣將方法區稱為“永久代”，是因為HotSpot虛擬機以永久代來實現方法區，從而JVM的垃圾收集器可以像管理堆區一樣管理這部分區域，從而不需要專門為這部分設計垃圾回收機制。不過自從JDK7之后，Hotspot虛擬機便將運行時常量池從永久代移除了。

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