1.2 RUNTIME AREA
運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)是整個(gè)JVM的重點(diǎn)。我們所有寫(xiě)的程序都被加載到這里，之后才開(kāi)始運(yùn)行，Java生態(tài)系統(tǒng)如此的繁榮，得益于該區(qū)域的優(yōu)良自治。
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| PROGEAM COUNTER REGISTER | 線程私有、指向下一條要很執(zhí)行的指令 |
| JAVA STACK | 線程私有、存儲(chǔ)局部變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口 |
| NATIVE METHOD STACK | 為虛擬機(jī)使用到的Native 方法服務(wù) |
| HEAP | 線程共享 所有的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配 回收器主要管理的對(duì)象 |
| MEATHOD AREA | 線程共享的內(nèi)存區(qū)域 非堆主要區(qū)域 存儲(chǔ)類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼 |
1.2.1 程序計(jì)數(shù)器
程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。在虛擬機(jī)的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機(jī)可能會(huì)通過(guò)一些更高效的方式去實(shí)現(xiàn)），字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴(lài)這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完成。
由于Java 虛擬機(jī)的多線程是通過(guò)線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)
的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器（對(duì)于多核處理器來(lái)說(shuō)是一個(gè)內(nèi)核）只會(huì)執(zhí)行
一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要
有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間的計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，我們稱(chēng)這類(lèi)內(nèi)
存區(qū)域?yàn)?#8220;線程私有”的內(nèi)存。
如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java 方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)
碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Natvie 方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空（Undefined）。此
內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定任何OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。
1.2.2 棧
與程序計(jì)數(shù)器一樣，Java 虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，
它的生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法被執(zhí)
行的時(shí)候都會(huì)同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame①）用于存儲(chǔ)局部變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。
每一個(gè)方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過(guò)程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過(guò)程。
經(jīng)常有人把Java 內(nèi)存區(qū)分為堆內(nèi)存（Heap）和棧內(nèi)存（Stack），這種分法比較粗
糙，Java 內(nèi)存區(qū)域的劃分實(shí)際上遠(yuǎn)比這復(fù)雜。這種劃分方式的流行只能說(shuō)明大多數(shù)程序
員最關(guān)注的、與對(duì)象內(nèi)存分配關(guān)系最密切的內(nèi)存區(qū)域是這兩塊。
其中所指的“堆”在后面會(huì)專(zhuān)門(mén)講述，而所指的“棧”就是現(xiàn)在講的虛擬機(jī)棧，或者說(shuō)是虛擬機(jī)棧中的局部變量表部分。
局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型（boolean、byte、char、short、int、
float、long、double）、對(duì)象引用（reference 類(lèi)型，它
不等同于對(duì)象本身，根據(jù)不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，它可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔槪部赡苤赶蛞粋€(gè)代表對(duì)象的句柄或者其他與此對(duì)象相關(guān)的位置）和returnAddress 類(lèi)型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。
其中64 位長(zhǎng)度的long 和double 類(lèi)型的數(shù)據(jù)會(huì)占用2 個(gè)局部變量空間（Slot），其余
的數(shù)據(jù)類(lèi)型只占用1 個(gè)。
局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小。
在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中，對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：如果線程請(qǐng)求的棧深度大
于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError 異常；如果虛擬機(jī)棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展
（當(dāng)前大部分的Java 虛擬機(jī)都可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，只不過(guò)Java 虛擬機(jī)規(guī)范中也允許固定長(zhǎng)度的
虛擬機(jī)棧），當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError 異常。
1.2.3 本地方法棧
本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其
區(qū)別不過(guò)是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java 方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則
是為虛擬機(jī)使用到的Native 方法服務(wù)。虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧中的方法使用的語(yǔ)
言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它。甚至
有的虛擬機(jī)（譬如Sun HotSpot 虛擬機(jī)）直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。
與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會(huì)拋出StackOverflowError 和OutOfMemoryError
異常。
1.2.4 Java 堆
對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Java 堆（Java Heap）是Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的
一塊。
Java 堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的
唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。這一點(diǎn)在Java 虛
擬機(jī)規(guī)范中的描述是：所有的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配，但是隨著JIT 編譯器
的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)的逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換優(yōu)化技術(shù)將會(huì)導(dǎo)致一些微妙
的變化發(fā)生，所有的對(duì)象都分配在堆上也漸漸變得不是那么“絕對(duì)”了。
Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候也被稱(chēng)做“GC 堆”（Garbage
Collected Heap，幸好國(guó)內(nèi)沒(méi)翻譯成“垃圾堆”）。如果從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在
收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java 堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代；
再細(xì)致一點(diǎn)的有Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等。
如果從內(nèi)存分配的角度看，線程共享的Java 堆中可能劃分出多個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū)（Thread LocalAllocation Buffer，TLAB）。不過(guò)，無(wú)論如何劃分，都與存放內(nèi)容無(wú)關(guān)，無(wú)論哪個(gè)區(qū)域，存儲(chǔ)的都仍然是對(duì)象實(shí)例，進(jìn)一步劃分的目的是為了更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。
根據(jù)Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，Java 堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要
邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤(pán)空間一樣。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)成固定大小
的，也可以是可擴(kuò)展的，不過(guò)當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)的（通過(guò)-Xmx
和-Xms 控制）。如果在堆中沒(méi)有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出
OutOfMemoryError 異常。
1.2.5 方法區(qū)
方法區(qū)（Method Area）與Java 堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存
儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖
然Java 虛擬機(jī)規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個(gè)邏輯部分，但是它卻有一個(gè)別名叫做Non-
Heap（非堆），目的應(yīng)該是與Java 堆區(qū)分開(kāi)來(lái)。
對(duì)于習(xí)慣在HotSpot 虛擬機(jī)上開(kāi)發(fā)和部署程序的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，很多人愿意把方法區(qū)
稱(chēng)為“永久代”（Permanent Generation），本質(zhì)上兩者并不等價(jià)，僅僅是因?yàn)?/span>HotSpot 虛
擬機(jī)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇把GC 分代收集擴(kuò)展至方法區(qū)，或者說(shuō)使用永久代來(lái)實(shí)現(xiàn)方法區(qū)而
已。對(duì)于其他虛擬機(jī)（如BEA JRockit、IBM J9 等）來(lái)說(shuō)是不存在永久代的概念的。即
使是HotSpot 虛擬機(jī)本身，根據(jù)官方發(fā)布的路線圖信息，現(xiàn)在也有放棄永久代并“搬家”
至Native Memory 來(lái)實(shí)現(xiàn)方法區(qū)的規(guī)劃了。
Java 虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)這個(gè)區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java 堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)
存和可以選擇固定大小或者可擴(kuò)展外，還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集。相對(duì)而言，垃圾
收集行為在這個(gè)區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入了方法區(qū)就如永久代的名字一
樣“永久”存在了。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類(lèi)型的卸
載，一般來(lái)說(shuō)這個(gè)區(qū)域的回收“成績(jī)”比較難以令人滿意，尤其是類(lèi)型的卸載，條件
相當(dāng)苛刻，但是這部分區(qū)域的回收確實(shí)是有必要的。在Sun 公司的BUG 列表中，曾出
現(xiàn)過(guò)的若干個(gè)嚴(yán)重的BUG 就是由于低版本的HotSpot 虛擬機(jī)對(duì)此區(qū)域未完全回收而導(dǎo)
致內(nèi)存泄漏。
根據(jù)Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定， 當(dāng)方法區(qū)無(wú)法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)， 將拋出
OutOfMemoryError 異常。
1.2.6 運(yùn)行時(shí)常量池
運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分。Class 文件中除了有
類(lèi)的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池（Constant Pool
Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容將在類(lèi)加載后存放
到方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。
Java 虛擬機(jī)對(duì)Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴(yán)格的規(guī)
定，每一個(gè)字節(jié)用于存儲(chǔ)哪種數(shù)據(jù)都必須符合規(guī)范上的要求，這樣才會(huì)被虛擬機(jī)認(rèn)可、
裝載和執(zhí)行。但對(duì)于運(yùn)行時(shí)常量池，Java 虛擬機(jī)規(guī)范沒(méi)有做任何細(xì)節(jié)的要求，不同的
提供商實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)可以按照自己的需要來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)內(nèi)存區(qū)域。不過(guò)，一般來(lái)說(shuō)，除
了保存Class 文件中描述的符號(hào)引用外，還會(huì)把翻譯出來(lái)的直接引用也存儲(chǔ)在運(yùn)行時(shí)常
量池中。
運(yùn)行時(shí)常量池相對(duì)于Class 文件常量池的另外一個(gè)重要特征是具備動(dòng)態(tài)性，Java 語(yǔ)
言并不要求常量一定只能在編譯期產(chǎn)生，也就是并非預(yù)置入Class 文件中常量池的內(nèi)容
才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時(shí)常量池，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開(kāi)發(fā)
人員利用得比較多的便是String 類(lèi)的intern() 方法。
既然運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，自然會(huì)受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當(dāng)常量池?zé)o
法再申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError 異常
1.2.7 直接內(nèi)存
直接內(nèi)存（Direct Memory）并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是Java
虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域，但是這部分內(nèi)存也被頻繁地使用，而且也可能導(dǎo)致
OutOfMemoryError 異常出現(xiàn)，所以我們放到這里一起講解。
在JDK 1.4 中新加入了NIO（New Input/Output）類(lèi)，引入了一種基于通道（Channel）
與緩沖區(qū)（Buffer）的I/O 方式，它可以使用Native 函數(shù)庫(kù)直接分配堆外內(nèi)存，然
后通過(guò)一個(gè)存儲(chǔ)在Java 堆里面的DirectByteBuffer 對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行
操作。這樣能在一些場(chǎng)景中顯著提高性能，因?yàn)楸苊饬嗽?/span>Java 堆和Native 堆中來(lái)
回復(fù)制數(shù)據(jù)。
顯然，本機(jī)直接內(nèi)存的分配不會(huì)受到Java 堆大小的限制，但是，既然是內(nèi)存，則
肯定還是會(huì)受到本機(jī)總內(nèi)存（包括RAM 及SWAP 區(qū)或者分頁(yè)文件）的大小及處理器
尋址空間的限制。服務(wù)器管理員配置虛擬機(jī)參數(shù)時(shí)，一般會(huì)根據(jù)實(shí)際內(nèi)存設(shè)置-Xmx
等參數(shù)信息，但經(jīng)常會(huì)忽略掉直接內(nèi)存，使得各個(gè)內(nèi)存區(qū)域的總和大于物理內(nèi)存限制
（包括物理上的和操作系統(tǒng)級(jí)的限制），從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)出現(xiàn)OutOfMemoryError
異常。
好了，到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)弄明白了JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，下一章將對(duì)堆內(nèi)存進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)。