JVM运行时数据区原理解析

前言

Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用的运行时数据区域，其中一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机的退出而销毁。另外一些则是和线程一一对应，这些与线程对应的数据区域随着线程开始而创建，线程的结束而销毁。

PC寄存器

PC寄存器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，每条线程都要一个独立的PC寄存器，这个内存也是线程私有的内存。正在执行 java 方法的话，PC寄存器是记录的是虚拟机字节码指令的地址（当前指令的地址）。如果还是 Native 方法，则为undefined。这个内存区域是唯一一个在虚拟机中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

虚拟机栈

虚拟机栈是描述 java方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从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入栈到出栈的过程。虚拟机栈的作用与传统语言的栈类似，用于存储局部变量和一些尚未计算的结果。另外它在方法调用和返回值中也扮演重要的角色。

虚拟机栈主要保存的内容是栈帧。栈帧是用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接(Dynamic Linking)、 方法返回值和异常分派（Dispatch Exception）。栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁——无论方法是正常完成还是异常完成（抛出了在方法内未被捕获的异常）都算作方法结束。

方法区

方法区是一块所有线程共享的没存区域。它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即使编译器编译后的代码等数据。方法区的大小决定了系统可以保存多少个类。

在JDK1.6、JDK1.7中，方法区可以理解为永久代(只针对HotSpot 虚拟机，其他的虚拟机可能不存在永久代的概念)。永久代可以使用参数-XX: PermSize和-XX MaxPermSize指定，默认情况下-XX MaxPermSize为64M。一个大的永久代可以保存更多的类信息。如果系统使用一些动态代理，那么有可能会在运行时生成大量的类，为了保证不会内存溢出，需要设置一个合理的永久代大小。HotSpot虚拟机把GC分代收集扩展至方法区, 即使用Java堆的永久代来实现方法区， 这样 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一样管理这部分内存，而不必为方法区开发专门的内存管理器(永久带的内存回收的主要目标是针对常量池的回收和类型的卸载， 因此收益一般小) 。

在JDK1.8中，永久代已经被移除，取而代之的是元空间(MetaSpace)，元空间大小可以使用参数-XX MaxMetaSpaceSize指定。一个大的元空间可以使系统支持更多的类，只是一块堆外的直接内存。如果不指定大小，默认情况下，虚拟机会耗尽所有的可用的系统内存。类的元数据放入直接内存， 字符串池和类的静态变量放入java堆中，这样可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize控制，而由系统的实际可用空间来控制。

元空间与永久代最大的区别：永久代使用的是JVM的堆内存，而元空间使用的是本机的物理内存，所以元空间如果不设置大小，其大小受本机物理内存的限制。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。Java 虚拟机对 Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机认可、装载和执行。

运行时常量池相较于Class文件的常量池的另一个特征就是具备动态性。Java语言并不要求常量一定是在编译期才能产生，也并非Class文件中常量池内容才能进入运行时常量池，比如String的intern()方法。

本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈作用类似，区别是虚拟机栈为执行Java方法服务, 而本地方法栈则为Native方法服务。虚拟机规范中堆本地方法栈使用的语言、使用的方式与数据结构并没有强制规定，因此虚拟机可以自由的实现它。甚至有的虚拟机(比如HotSpot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

Java堆

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象的实例，几乎所有(不是全部都在这里分配)的对象的实例都是在这里分配内存。由于现代虚拟机采用分代收集算法, 因此Java堆从GC的角度还可以细分为: 新生代(Eden区、From Survivor区和To Survivor区)和老年代。

新生代是用来存放新生的对象。一般占据堆的 1/3空间。由于频繁创建对象，所以新生代会频繁触发MinorGC进行垃圾回收。新生代又分为Eden区、ServivorFrom、ServivorTo 三个区。

Eden区是Java新对象的出生地（如果新创建的对象占用内存很大，则直接分配到老年代）。当Eden区内存不够的时候就会触MinorGC，对新生代区进行一次垃圾回收。ServivorFrom上一次 GC 的幸存者，作为这一次 GC 的被扫描者。ServivorTo。保留了一次 MinorGC过程中的幸存者。

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