JVM運行時數據區域詳解

參考文章：

• 《Java Se11 虛擬機規範》
• 《深入理解Java虛擬機-JVM高級特性與最佳實踐 第3版》- 周志明

本文基於Java Se 11講解。

根據《Java虛擬機規範》的規定，Java虛擬機所管理的記憶體將會包括以下幾個運行時數據區域：

對於不同的虛擬機實現，在運行時數據區的實現上並不完全相同。對於常用的HotSpot虛擬機來說，它的運行時數據區如下：

主要區別在於，HotSpot使用了直接使用本地記憶體（即機器本身記憶體）的元空間（metaspace）來實現方法區。

下麵針對每個具體的數據區域進行詳細的介紹。

1. 程式計數器

程式計數器（Program Counter Register）是一塊較小的記憶體空間，它可以看作是當前線程所執行的位元組碼的行號指示器。

JVM可以同時支持多個執行線程。每個Java虛擬機線程都有自己的pc（程式計數器）寄存器。在任何時候，每個Java虛擬機線程都在執行單個方法的代碼，即該線程的當前方法。如果該方法不是native方法，則pc寄存器包含當前正在執行的Java虛擬機指令的地址。如果線程當前正在執行的方法是native的，則pc寄存器的值為undefined。Java虛擬機的pc寄存器足夠寬，可以容納特定平臺上的returnAddress或native指針。

此記憶體區域是唯一一個在《Java虛擬機規範》中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

2. Java虛擬機棧

與程式計數器一樣，是線程私有的，生命周期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執行的線程記憶體模型。

「虛擬機棧」裡面的每條數據就是「棧幀」，在 Java 方法執行的時候則創建一個「棧幀」併入棧「虛擬機棧」。調用結束則「棧幀」出棧。

每個棧幀包含四個區域：

1. 局部變數表：存儲了方法執行過程中需要用到的所有局部變數
2. 操作數棧：暫存變數，通過變數的入棧、出棧等操作來執行計算
3. 動態連接：翻譯符號引用為直接引用，即把一個字面量翻譯為運行時的一個地址引用
4. 返回地址

每個線程擁有一個「虛擬機棧」，每個「虛擬機棧」擁有多個「棧幀」，而棧幀則對應著一個方法。每個「棧幀」包含局部變數表、操作數棧、動態鏈接、方法返回地址。方法運行結束則意味著該「棧幀」出棧。

在《Java虛擬機規範》中，對這個記憶體區域規定了兩類異常狀況：

1. 如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；
2. 如果Java虛擬機棧容量可以動態擴展(HotSpot虛擬機的棧容量不能動態擴展)，當棧嘗試擴展時無法申請到足夠的記憶體，或為一個新線程初始化JVM棧時沒有足夠的記憶體時會拋出OutOfMemoryError異常。

3. 本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，其區別隻是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的本地（Native）方法服務。

《Java虛擬機規範》對本地方法棧中方法使用的語言、使用方式與數據結構並沒有任何強制規定，因此具體的虛擬機可以根據需要自由實現它，甚至有的Java虛擬機（譬如Hot-Spot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧也會在棧深度溢出或者棧擴展失敗時分別拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

4. Java堆

所有線程共用，虛擬機啟動時創建。唯一的目的是用於存放對象實例和數組，絕大部分對象實例在堆上分配記憶體。

在 Java 中，數組也是對象。

現代垃圾收集器大部分基於分代收集理論設計。“新生代”、“老年代”這些名詞僅僅是一部分GC的設計風格，而不是《Java虛擬機規範》定義的。而從G1收集器出現之後，出現了不採用分代設計的新垃圾收集器。

JDK8之後Class對象、static變數、字元串常量池都放在堆里。

static變數作為類的信息，存儲在Class對象里。

Java 的對象可以分為基本數據類型和普通對象。普通對象會在堆上分配。對於基本數據類型，如果是局部變數，則會在棧上分配。其他情況，通常在在堆上分配，逃逸分析的情況下可能會在棧分配。

如果在Java堆中沒有記憶體完成實例分配，並且堆也無法再擴展時，Java虛擬機將會拋出OutOfMemoryError異常。

4.1 字元串常量池

字元串常量池是由String類維護的一個字元串池。是一種池化思想的實現，是為了節省重覆創建字元串對象的性能開銷和記憶體空間。

每當代碼創建字元串常量時，JVM會首先檢查字元串常量池。如果字元串已經存在池中，就返回池中的實例引用。如果字元串不在池中，就會實例化一個字元串並放到池中。Java能夠進行這樣的優化是因為字元串是不可變的，可以不用擔心數據衝突進行共用。

字元串常量池從JDK7開始挪到了堆中。

可以通過調用String.intern()方法把一個字元串對象放到字元串常量池中。如果池中已經存在相等的對象，則會返回已存在對象的引用；否則會把這個字元串對象加入到池中，並返回新加入的字元串對象的引用。

String s = new String("hello")會創建幾個對象？

如果字元串常量池中沒有"hello"，則生成2個，否則只生成一個。

String s = new String("abc"); System.out.println((s.intern() == s));列印結果是什麼？

列印結果為false。s指向的是堆中的對象，s.intern()返回的是字元串常量池中的對象的引用。

4.2 字面量和常量

字面量(literal) ：用於表達源碼中的一個固定值的符號(notation)。如整數、浮點數及字元串等。如1、0x01是整數字面量，Hello World是字元串字面量。

常量：在java中，final修飾的變數也可以被稱為是常量。任何具有不變性的東西都可以稱為常量。如String對象是常量。

對象池：是Java語言層面實現的，如Integer.valueOf()（Integer i = 10也會調該方法）會使用IntegerCache的緩存對象。如果使用new Integer(10)則不會使用對象池中的實例。

字元串常量池：類似於對象池，但它是JVM層面的技術。字元串常量池的實現是c++實現的StringTable，實際上是一個固定容量的Hashtable，每一個bucket包含一系列相同hash碼的字元串。

5. 方法區

用於存儲被JVM載入的class的元數據信息，比如類的結構、運行時的常量池、欄位、常量、方法數據、方法構造函數以及介面初始化等特殊方法。還有JIT編譯器編譯後的代碼緩存等數據。

JDK8之前，HotSpot採用永久代的概念實現方法區，JDK8開始廢棄了永久代的概念，改用在本地記憶體(Native Memory)中實現的元空間(Meta-space)來代替。

方法區的GC比較少出現，回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載。

根據《Java虛擬機規範》的規定，如果方法區無法滿足新的記憶體分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

5.1 運行時常量池

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class文件中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述信息外，還有一項信息是常量池表（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量與符號引用，這部分內容將在類載入後存放到方法區的運行時常量池中。

一般來說，除了保存Class文件中描述的符號引用外，還會把由符號引用翻譯出來的直接引用也存儲在運行時常量池中。

既然運行時常量池是方法區的一部分，自然受到方法區記憶體的限制，當常量池無法再申請到記憶體時會拋出OutOfMemoryError異常。