JVM的內(nèi)存區(qū)域劃分

學(xué)過C語言的朋友都知道C編譯器在劃分內(nèi)存區(qū)域的時候經(jīng)常將管理的區(qū)域劃分為數(shù)據(jù)段和代碼段，數(shù)據(jù)段包括堆、棧以及靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。那么在Java語言當(dāng)中，內(nèi)存又是如何劃分的呢？

由于Java程序是交由JVM執(zhí)行的，所以我們在談Java內(nèi)存區(qū)域劃分的時候事實上是指JVM內(nèi)存區(qū)域劃分。在討論JVM內(nèi)存區(qū)域劃分之前，先來看一下Java程序具體執(zhí)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(jié)碼文件(.class后綴)，然后由JVM中的類加載器加載各個類的字節(jié)碼文件，加載完畢之后，交由JVM執(zhí)行引擎執(zhí)行。在整個程序執(zhí)行過程中，JVM會用一段空間來存儲程序執(zhí)行期間需要用到的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，這段空間一般被稱作為Runtime Data Area（運行時數(shù)據(jù)區(qū)），也就是我們常說的JVM內(nèi)存。因此，在Java中我們常常說到的內(nèi)存管理就是針對這段空間進(jìn)行管理（如何分配和回收內(nèi)存空間）。

在知道了JVM內(nèi)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(qū)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(shù)據(jù)區(qū)包括哪幾部分？

根據(jù)《Java虛擬機(jī)規(guī)范》的規(guī)定，運行時數(shù)據(jù)區(qū)通常包括這幾個部分：程序計數(shù)器(Program Counter Register)、Java棧(VM Stack)、本地方法棧(Native Method Stack)、方法區(qū)(Method Area)、堆(Heap)。

如上圖所示，JVM中的運行時數(shù)據(jù)區(qū)應(yīng)該包括這些部分。在JVM規(guī)范中雖然規(guī)定了程序在執(zhí)行期間運行時數(shù)據(jù)區(qū)應(yīng)該包括這幾部分，但是至于具體如何實現(xiàn)并沒有做出規(guī)定，不同的虛擬機(jī)廠商可以有不同的實現(xiàn)方式。

二.運行時數(shù)據(jù)區(qū)的每部分到底存儲了哪些數(shù)據(jù)？

下面我們來了解一下運行時數(shù)據(jù)區(qū)的每部分具體用來存儲程序執(zhí)行過程中的哪些數(shù)據(jù)。

1.程序計數(shù)器

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

雖然JVM中的程序計數(shù)器并不像匯編語言中的程序計數(shù)器一樣是物理概念上的CPU寄存器，但是JVM中的程序計數(shù)器的功能跟匯編語言中的程序計數(shù)器的功能在邏輯上是等同的，也就是說是用來指示 執(zhí)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(zhí)行時間的，因此，在任一具體時刻，一個CPU的內(nèi)核只會執(zhí)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(fù)在切換之前的程序執(zhí)行位置，每個線程都需要有自己獨立的程序計數(shù)器，并且不能互相被干擾，否則就會影響到程序的正常執(zhí)行次序。因此，可以這么說，程序計數(shù)器是每個線程所私有的。

在JVM規(guī)范中規(guī)定，如果線程執(zhí)行的是非native方法，則程序計數(shù)器中保存的是當(dāng)前需要執(zhí)行的指令的地址；如果線程執(zhí)行的是native方法，則程序計數(shù)器中的值是undefined。

由于程序計數(shù)器中存儲的數(shù)據(jù)所占空間的大小不會隨程序的執(zhí)行而發(fā)生改變，因此，對于程序計數(shù)器是不會發(fā)生內(nèi)存溢出現(xiàn)象(OutOfMemory)的。

2.Java棧

Java棧也稱作虛擬機(jī)棧（Java Vitual Machine Stack），也就是我們常常所說的棧，跟C語言的數(shù)據(jù)段中的棧類似。事實上，Java棧是Java方法執(zhí)行的內(nèi)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(yīng)一個被調(diào)用的方法，在棧幀中包括局部變量表(Local Variables)、操作數(shù)棧(Operand Stack)、指向當(dāng)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(qū)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(dāng)線程執(zhí)行一個方法時，就會隨之創(chuàng)建一個對應(yīng)的棧幀，并將建立的棧幀壓棧。當(dāng)方法執(zhí)行完畢之后，便會將棧幀出棧。因此可知，線程當(dāng)前執(zhí)行的方法所對應(yīng)的棧幀必定位于Java棧的頂部。講到這里，大家就應(yīng)該會明白為什么 在 使用 遞歸方法的時候容易導(dǎo)致棧內(nèi)存溢出的現(xiàn)象了以及為什么棧區(qū)的空間不用程序員去管理了（當(dāng)然在Java中，程序員基本不用關(guān)系到內(nèi)存分配和釋放的事情，因為Java有自己的垃圾回收機(jī)制），這部分空間的分配和釋放都是由系統(tǒng)自動實施的。對于所有的程序設(shè)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(yīng)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(tài)變量以及函數(shù)形參）。對于基本數(shù)據(jù)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?qū)ο蟮囊?。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(zhí)行期間局部變量表的大小是不會改變的。

操作數(shù)棧，想必學(xué)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧的朋友想必對表達(dá)式求值問題不會陌生，棧最典型的一個應(yīng)用就是用來對表達(dá)式求值。想想一個線程執(zhí)行方法的過程中，實際上就是不斷執(zhí)行語句的過程，而歸根到底就是進(jìn)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(shù)棧來完成的。

指向運行時常量池的引用，因為在方法執(zhí)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(dāng)一個方法執(zhí)行完畢之后，要返回之前調(diào)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(zhí)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(qū)別只不過是Java棧是為執(zhí)行Java方法服務(wù)的，而本地方法棧則是為執(zhí)行本地方法（Native Method）服務(wù)的。在JVM規(guī)范中，并沒有對本地方發(fā)展的具體實現(xiàn)方法以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作強(qiáng)制規(guī)定，虛擬機(jī)可以自由實現(xiàn)它。在HotSopt虛擬機(jī)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(nèi)存區(qū)域。程序員可以通過malloc函數(shù)和free函數(shù)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(shù)組（當(dāng)然，數(shù)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(guān)心空間釋放的問題，Java的垃圾回收機(jī)制會自動進(jìn)行處理。因此這部分空間也是Java垃圾收集器管理的主要區(qū)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(qū)

方法區(qū)在JVM中也是一個非常重要的區(qū)域，它與堆一樣，是被線程共享的區(qū)域。在方法區(qū)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(tài)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(qū)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(yīng)的運行時常量池就被創(chuàng)建出來。當(dāng)然并非Class文件常量池中的內(nèi)容才能進(jìn)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(guī)范中，沒有強(qiáng)制要求方法區(qū)必須實現(xiàn)垃圾回收。很多人習(xí)慣將方法區(qū)稱為“永久代”，是因為HotSpot虛擬機(jī)以永久代來實現(xiàn)方法區(qū)，從而JVM的垃圾收集器可以像管理堆區(qū)一樣管理這部分區(qū)域，從而不需要專門為這部分設(shè)計垃圾回收機(jī)制。不過自從JDK7之后，Hotspot虛擬機(jī)便將運行時常量池從永久代移除了。

以上為個人看法和觀點，如有不正之處希望諒解并歡迎指正。