JVM 哪些区域是线程私有的？哪些是线程共享的？

JVM 运行时数据区（Runtime Data Areas）根据线程共享与否，可以分为两大类：线程私有区域和线程共享区域。

1. 线程私有区域 (Thread-Private):

每个线程都有自己独立的一份，生命周期与线程相同（随线程创建而创建，随线程销毁而销毁）。

• 程序计数器 (Program Counter Register):

  • 作用： 记录当前线程正在执行的字节码指令的地址（行号）。
  • 特点：
    • 非常小的一块内存区域。
    • 线程私有，每个线程都有自己的程序计数器。
    • 如果线程正在执行的是 Java 方法，程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。
    • 如果线程正在执行的是 Native 方法，程序计数器的值为空 (Undefined)。
    • 是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
  • 为什么需要：
    • Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的。在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。
    • 为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。

• 虚拟机栈 (VM Stack):

  • 作用： 存储方法调用的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
  • 特点：
    • 线程私有，每个线程都有自己的虚拟机栈。
    • 栈帧 (Stack Frame): 每次方法调用都会创建一个栈帧，用于存储方法的局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法执行完毕后，栈帧会被销毁。
    • 局部变量表 (Local Variable Table): 存放方法参数和方法内部定义的局部变量。
    • 操作数栈 (Operand Stack): 一个后入先出 (LIFO) 栈，用于存放方法执行过程中的操作数和中间结果。
    • 动态链接 (Dynamic Linking): 指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，用于支持方法调用过程中的动态链接。
    • 方法出口 (Return Address): 记录方法返回时应该跳转到的指令地址。
    • 异常：
      • StackOverflowError: 线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度。
      • OutOfMemoryError: 虚拟机栈无法申请到足够的内存（如果可以动态扩展）。
  • 与方法调用的关系：
    • 每个方法调用对应一个栈帧。
    • 方法的参数和局部变量存储在栈帧的局部变量表中。
    • 方法执行过程中的计算和操作在操作数栈上进行。

• 本地方法栈 (Native Method Stack):

  • 作用： 与虚拟机栈类似，但用于支持 native 方法（使用 C、C++ 等编写的方法）的执行。
  • 特点：
    • 线程私有，每个线程都有自己的本地方法栈。
    • 具体的实现方式由虚拟机决定（HotSpot VM 中，本地方法栈和虚拟机栈是合二为一的）。
    • 异常：
      • StackOverflowError
      • OutOfMemoryError

2. 线程共享区域 (Thread-Shared):

所有线程共享同一份，生命周期与 JVM 相同（随 JVM 启动而创建，随 JVM 关闭而销毁）。

• 堆 (Heap):

  • 作用： 存储对象实例和数组。
  • 特点：
    • 所有线程共享。
    • 是 JVM 中最大的一块内存区域。
    • 是垃圾回收的主要区域。
    • 逻辑上连续, 物理上可以不连续.
    • 可以划分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
      • 新生代又可以划分为 Eden 区、Survivor from 区和 Survivor to 区。
    • 异常：
      • OutOfMemoryError: 如果堆中没有足够的内存分配给新的对象，并且堆也无法再扩展时，抛出此异常。
  • 与对象创建的关系：
    • 几乎所有的对象实例和数组都在堆上分配内存。
    • new 关键字创建的对象会被分配到堆中。

• 方法区 (Method Area):

  • 作用： 存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
  • 特点：
    • 所有线程共享。
    • 在 HotSpot VM 中，方法区也被称为“非堆”（Non-Heap）或“永久代”（Permanent Generation，JDK 1.7 及之前）/“元空间”（Metaspace，JDK 1.8 及之后）。
      • 永久代 (PermGen): 使用 JVM 内存。容易出现 OutOfMemoryError: PermGen space。
      • 元空间 (Metaspace): 使用本地内存 (Native Memory)。不容易出现 OutOfMemoryError，但需要注意防止本地内存耗尽。
    • 运行时常量池 (Runtime Constant Pool): 方法区的一部分，存放编译期生成的各种字面量和符号引用，以及运行时产生的常量。
  • 异常：
    • OutOfMemoryError: 如果方法区无法满足内存分配需求，抛出此异常。
  • 与类加载的关系：
    • 类加载器加载的类信息存储在方法区中。
    • 类的静态变量存储在方法区中。
    • 类的常量存储在运行时常量池中。

总结：

内存区域	线程共享性	主要用途	异常
程序计数器	私有	记录当前线程正在执行的字节码指令的地址。	无 OutOfMemoryError
虚拟机栈	私有	存储方法调用的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。	StackOverflowError、OutOfMemoryError
本地方法栈	私有	支持 native 方法的执行。	StackOverflowError、OutOfMemoryError
堆	共享	存储对象实例和数组。	OutOfMemoryError
方法区	共享	存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。	OutOfMemoryError
运行时常量池	共享	存放编译期生成的各种字面量和符号引用，以及运行时产生的常量。	(属于方法区)

图示：

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|                                     JVM 运行时数据区                                    |
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| +---------------------+  +---------------------+  +---------------------+           |
| |     线程 1          |  |     线程 2          |  |     线程 N          |           |
| +---------------------+  +---------------------+  +---------------------+           |
| | 程序计数器           |  | 程序计数器           |  | 程序计数器           | (私有)   |
| | 虚拟机栈             |  | 虚拟机栈             |  | 虚拟机栈             | (私有)   |
| | 本地方法栈           |  | 本地方法栈           |  | 本地方法栈           | (私有)   |
| +---------------------+  +---------------------+  +---------------------+           |
|                                                                                     |
| +---------------------------------------------------------------------------------+ |
| |                                     堆 (Heap)                                   | | (共享)
| | +---------------------------------+  +---------------------------------+ | |
| | |       新生代 (Young)             |  |        老年代 (Old)              | | |
| | | +-------+ +-------+ +-------+ |  +---------------------------------+ | |
| | | | Eden  | |  S0   | |  S1   | |                                          | |
| | | +-------+ +-------+ +-------+ |                                          | |
| | +---------------------------------+                                          | |
| +---------------------------------------------------------------------------------+ |
|                                                                                     |
| +---------------------------------------------------------------------------------+ |
| |                         方法区 (Method Area) / 元空间 (Metaspace)                   | | (共享)
| | +---------------------------------+                                               | |
| | |            类信息               |                                               | |
| | |            常量                 |                                               | |
| | |          静态变量              |                                               | |
| | |       JIT 编译后的代码          |                                               | |
| | |      运行时常量池             |                                               | |
| | +---------------------------------+                                               | |
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