运行时数据区

概述

这部分是JVM中最为重要的部分。我们研究JVM主要的目的就是为了对JVM进行调优，本质上就是针对运行时数据区进行调优。

所谓运行时数据区，其实就是JVM对内存的使用

运行时数据区大致分为：

1. 线程共享区域
   1. 方法区
   2. 堆
2. 线程独享区域
   1. 栈
   2. 程序计数器
   3. 本地方法栈

示意图大致如下：

线程共享空间就是所有线程共同使用的内存空间，而独享空间，则是创建线程才有的空间，且每一个线程都有自己的这么一块空间。

方法区

方法区主要存放以下内容：

存储内容	说明
类型信息	Class信息
方法信息	如Method，含方法名称，参数列表，方法返回值等
字段信息	如Field，含字段类型，名称
Code区	存储方法执行对应的字节码指令
方法表	例如调用A类的某个method时，是根据A类的方法表找到对应的方法
静态变量	JDK1.7之后，移到堆中
运行时常量池 （字符串常量池最为重要）	从class文件中的常量池加载，JDK1.7之后移到堆中。 参考精通JVM（一）：class文件详解
JIT编译器编译之后的代码缓存	JIT编译器将字节码编译成系统能够识别的机器码，为了效率进行了缓存

永久代与元空间

方法区其实只是一个统称，或者说是一种抽象，一种规范。而永久代和元空间则是方法区的具体实现

在JDK1.8之前使用的是永久代，JDK1.8开始使用的是元空间

两者之间的区别如下：

1. 存储位置不同：

   1. 永久代占用的是JVM进程所使用的内存空间，大小受JVM空间限制。
   2. 元空间使用的是物理内存区域，只受机器物理内存大小限制

2. 存储内容不同：

   1. 永久代存储如上面的表格所示的内容。
   2. 元空间只存储类的元信息。静态变量和运行时常量池都已经挪到了堆中

永久代和元空间的历史变成过程大致如下：

方法区OOM异常

方法区能够导致OOM异常的情况主要两种：

1. 加载太多的类，超出方法区空间大小。
   1. JDK1.8之前将抛出java.lang.OutOfMemoryError: PerGem space
   2. JDK1.8之后将抛出java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
2. 字符串OOM异常：当我们创建太多的字符串时，将发生OOM。
   1. JDK1.6及之前版本，字符串常量还在永久代中，因此异常为java.lang.OutOfMemoryError: PerGem space
   2. JDK1.7开始，字符串常量池在堆中，因此异常为java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space

堆内存

Java堆是Java应用中最大的一块内存，几乎所有的对象都在堆上，例如我们new出来的对象，字符串常量等等。

堆内存是由垃圾收集器分配和管理，因此也叫做GC堆。

堆内存的分配与垃圾收集器息息相关，并不是固定不变的，不同的垃圾收集器堆内存可能是不一样的。

最为经典的是分代设计：主要划分为年轻代（Young）和老年代（Old），二者之间默认大小比例为1：2。

其中年轻代又具体划分为Eden，Survivor From， Survivor To三个区域，三者之间默认大小比例为8：1：1。

具体示意图如下：

由于不同的垃圾收集器的堆内存设计是不一样的，因此想要深入理解堆内存，建议参考垃圾收集器部分

程序计数器

程序计数器是线程私有的，也就是说每一次线程都会有一个程序计数器，它的作用是用来记录当前线程下一个要执行的字节码的行号。

比如有这样一段代码：

int a = 1;
int b = 3;
int c = a + b;

字节码指令如下：（使用IDEA插件jclasslib bytecode viewer查看）

左侧红色数字就是字节码的行号。

正是由于程序计数器记录了行号，当线程发生切换时才知道应该从哪里继续执行。

if，while等控制流语句的完成也依赖程序计数器来完成

如果正在执行的方法是native方法，那么程序计数器记录的值为空。

虚拟机栈

Java中方法是虚拟机执行的最基本单元，栈帧则是对应了一个方法。

当某一个方法A要执行时，对应的栈帧将入栈，如果方法A中又调用了方法B，那么执行到方法B时，B对应的栈帧也将入栈，位于栈顶。

也就是说栈顶的那一个栈帧就是当前正在执行的方法，因此称之为“当前栈帧”

一个栈帧包含以下内容：

1. 局部变量表
2. 操作数栈
3. 动态链接
4. 方法返回地址

局部变量表

局部变量表用于存放当前方法的局部变量，如方法入参，方法内部定义的局部变量等，可以保存boolean,byte,char,short,int,reference,returnAddress类型的数据。

其中reference是对一个对象实例的引用，returnAddress比较少见，它指向了一条字节码指令。

局部变量表中变量顺序为：

1. this引用
2. 方法参数
3. 方法内声明的局部变量

在局部变量表中，存储变量是以变量槽（slot）为单位，像boolean，int这种占用四个字节的变量都占用一个slot，而double/long这种8字节的变量需要两个slot

操作数栈

操作数栈的基本数据结构是一个先进先出、后进后出的栈结构，它是JVM用于计算用的。

比如有一个方法如下：

public int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

查看该方法的字节码如下：

其中iload指令就是将加载int类型的变量到操作数栈中，查看JVM规范文档)可以证实这一点：

将a和b变量iload入栈之后，然后iadd指令会将栈顶的两个变量出栈并相加，然后把结果入栈，ireturn从操作数栈的栈顶元素出栈用作返回结果。

这就是操作数栈的作用，不过操作数栈可不仅仅是计算基本数据类型，操作数栈中的元素可以是任意Java数据类型，一个32位的数据栈1个栈容量，64位的数据栈2个容量

动态链接

动态链接就是将符号引用转换为内存地址中的直接引用，这个过程有一部份是在类加载阶段或第一次使用的时候执行（参考类加载过程中的解析阶段）。比如静态方法和私有方法，这两者在编译期间就已经确定下来，因此适合在类加载阶段就进行连接。

而另一部分就是在运行期间执行，也就是这里说到的动态链接，比如public方法，protect方法，可能被子类继承重写，在类加载阶段无法确定到底要调用哪个版本的方法，因此适合在运行期间再进行情况进行动态链接

方法返回地址

一个方法执行结果无非就两种：

1. 正常返回（return）
2. 异常返回（throw new exception）

无法哪种方法返回，方法返回之后都需要回到方法调用的地方，程序才能继续往后执行，因此方法返回时需要在栈帧中保存一些信息，用于帮助调用者恢复状态继续向后执行

为什么这里用到了“可能”这个模糊的字眼呢？因为JVM仅仅是提供了一个规范，具体的实现还得依靠各个JVM厂商，不同的实现方法，不同的退出方式，可能都会有不一样的过程

本地方法栈

本地方法就是native关键字修饰的方法，它是由C/C++实现的。Java方法执行的时候需要栈，同样的C++方法执行的时候也是需要栈的。

本地方法栈就是native方法执行时所用的栈空间