Java虚拟机(JVM)（4）——运行时数据区_java运行时数据区-优快云博客

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文章目录

前言
一、程序计数器
二、Java虚拟机栈
- - 栈帧的内部结构
三、本地方法栈
四、堆内存
五、方法区
六、直接内存

前言

Java虚拟机在运行Java程序过程中管理的内存区域，称之为运行时数据区。
JVM

线程共享，程序停止时销毁。
线程不共享，随着线程的创建而创建，随着线程的销毁而销毁。

一、程序计数器

程序寄存器（Program Counter Register）也叫PC寄存器，用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码。执行引擎的字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。

因为CPU需要不停的切换各个线程，为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。各个线程之间可以进行独立计算，不会出现相互干扰的情况。

二、Java虚拟机栈

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）采用栈的数据结构来管理方法调用中的基本数据，先进后出（First In Last Out），是线程私有的，生命周期和线程一致。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的Java方法调用。

下面进行一个案例演示：

public class MethodDemo {   
    public static void main(String[] args) {        
         study();    
     }

    public static void study(){
        eat();

        sleep();
    }   
    
    public static void eat(){       
         System.out.println("吃饭");   
    }    
    
    public static void sleep(){        
        System.out.println("睡觉");    
        }
  }

main方法执行时，会创建main方法的栈帧：
栈演示1

接下来执行study方法，会创建study方法的栈帧：
栈演示2

进入eat方法，创建eat方法的栈帧：
栈演示3
eat方法执行完之后，会弹出它的栈帧：
栈演示4
然后调用sleep方法，创建sleep方法栈帧：
栈演示5
最后study方法结束之后弹出栈帧，main方法结束之后弹出main的栈帧。

栈帧的内部结构

1、局部变量表

栈帧中的局部变量表是一个数组，作用是在方法执行过程中存放所有的局部变量，方法参数也会保存在局部变量表中，其顺序与方法中参数定义的顺序一致。数组中每一个位置称之为槽(slot) ，long和double类型占用两个槽，其他类型占用一个槽。
数据大小
实例方法中的序号为0的位置存放的是this，指的是当前调用方法的对象，运行时会在内存中存放实例对象的地址。

① 静态方法中的局部变量表：

② 实例方法中的局部表量表：

③ 带方法参数的局部变量表：

slot的复用
为了节省空间，局部变量表中的槽是可以复用的，一旦某个局部变量不再生效，当前槽就可以再次被使用。

1、方法执行时，实例对象this、k、m 会被放入局部变量表中，占用3个槽
slot使用情况
2、将1的值放入局部变量表下标为3的位置上，相当于给a进行赋值

3、将2放入局部变量表下标为4的位置，给b赋值为2
在这里插入图片描述
4、ab已经脱离了生效范围，所以下标为3和4的这两个位置可以复用。此时c的值1就可以放入下标为3的位置

5、脱离c的生效范围之后，给i赋值就可以复用c的位置

6、最后放入j，j是一个long类型，占用两个槽。但是可以复用b所在的位置，所以占用4和5这两个位置
在这里插入图片描述
所以，局部变量表数值的长度为6。这一点在编译期间就可以确定了，运行过程中只需要在栈帧中创建长度为6的数组即可。

2、操作数栈

操作数栈是栈帧中虚拟机在执行指令过程中用来存放中间数据的一块区域。他是一种栈式的数据结构，如果一条指令将一个值压入操作数栈，则后面的指令可以弹出并使用该值。

在编译期就可以确定操作数栈的最大深度，从而在执行时正确的分配内存大小。
在这里插入图片描述
比如之前的相加案例中，操作数栈最大的深入会出现在这个时刻：

所以操作数栈的深度会定义为2。

3、帧数据

帧数据主要包含动态链接、方法出口、异常表的引用。

① 动态链接

静态链接：
当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知，且运行期保持不变时。这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接。
动态链接：
如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也就被称之为动态链接。

②方法出口
方法出口指的是方法在正确或者异常结束时，当前栈帧会被弹出，同时程序计数器应该指向上一个栈帧中的下一条指令的地址。所以在当前栈帧中，需要存储此方法出口的地址。

4、异常表

异常表存放的是代码中异常的处理信息，包含了异常捕获的生效范围以及异常发生后跳转到的字节码指令位置。（保存的就是第几行到第几行字节码指令可能出现异常，如果出现异常应该跳转到第几行指令）
在这里插入图片描述

三、本地方法栈

在 Java 中，本地方法栈帧（Native Method Stack Frame）是当线程调用本地方法（即非 Java 语言实现的方法，通常是 C 或 C++编写的）时，用于存储该本地方法相关信息的栈帧。

当 Java 线程执行到一个本地方法时，会创建一个对应的本地方法栈帧，并将其压入本地方法栈中。本地方法栈帧中包含了本地方法的参数、局部变量、返回值等信息。

四、堆内存

一般Java程序中堆内存是空间最大的一块内存区域。创建出来的对象都存在于堆上。栈上的局部变量表中，可以存放堆上对象的引用。静态变量也可以存放堆对象的引用，通过静态变量就可以实现对象在线程之间共享。(后续垃圾回收篇会详细讲解☺)

public class Test {    
    public static void main(String[] args) {        
        Student s1 = new Student();        
        s1.name = "张三";       
        s1.age = 18;       
        s1.id = 1;
        s1.printTotalScore();        
        s1.printAverageScore();        
        
        Student s2 = new Student();       
        s2.name = "李四";        
        s2.age = 19;        
        s2.id= 2;        
        s2.printTotalScore();        
        s2.printAverageScore();    
    }
}

这段代码中通过new关键字创建了两个Student类的对象，这两个对象会被存放在堆上。在栈上通过s1和s2两个局部变量保存堆上两个对象的地址，从而实现了引用关系的建立。
在这里插入图片描述

五、方法区

方法区是存放基础信息的位置，线程共享，主要包含三部分内容：

类的元信息： 保存了所有类的基本信息
运行时常量池： 保存了字节码文件中的常量池内容
字符串常量池： 保存了字符串常量

1、方法区的实现

JDK7及之前的版本将方法区存放在堆区域中的永久代空间，堆的大小由虚拟机参数来控制。
JDK8及之后的版本将方法区存放在元空间中，元空间位于操作系统维护的直接内存中，默认情况下只要不超过操作系统承受的上限，可以一直分配。
在这里插入图片描述

2、类的元信息

方法区是用来存储每个类的基本信息（元信息），一般称之为InstanceKlass对象。在类的加载阶段完成。其中就包含了类的字段、方法等字节码文件中的内容，同时还保存了运行过程中需要使用的虚方法表（实现多态的基础）等信息。
在这里插入图片描述

3、运行时常量池

运行时常量池主要存放两大常量：字面量和符号引用。字面量比较接近于 Java 语言层面的的常量概念，如文本字符串、声明为 final 的常量值等。
字节码文件中通过编号查表的方式找到常量，这种常量池称为静态常量池。当常量池加载到内存中之后，可以通过内存地址快速的定位到常量池中的内容，这种常量池称为运行时常量池。
在这里插入图片描述

4、字符串常量池

早期设计时，字符串常量池是属于运行时常量池的一部分，他们存储的位置也是一致的。后续做出了调整，将字符串常量池和运行时常量池做了拆分。

Jdk1.6及之前：有永久代, 运行时常量池在永久代，运行时常量池包含字符串常量池
Jdk1.7：有永久代，但已经逐步“去永久代”，字符串常量池从永久代里的运行时常量池分离到堆里 Jdk1.8及之后：
无永久代，运行时常量池在元空间，字符串常量池里依然在堆里

在这里插入图片描述

六、直接内存

不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。
直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存区间。
来源于NIO，通过存在堆中的DirectByteBuffer操作Native内存
通常，访问直接内存的速度会优于Java堆。即读写性能高。
- 因此出于性能考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。
- Java的NIO库允许Java程序使用直接内存，用于数据缓冲区