jvm（一）：内存划分

jvm，java 虚拟机，是java语言实现平台无关性的具体实现，是一个虚拟的计算机设备。
作为jvm笔记记录，从本节开始，记录jvm知识的点点滴滴。
以java se 7为标准，java虚拟机在执行java程序时把所管理的内存划分为若干不同的数据区域：

由于下面有些讲解的需要，先说明几个概念：
1.java方法：指程序员手动编写的方法或者java源码里的方法，主要是为了区别于native方法.

程序计数器（Program Counter Register）

直译应该是pc寄存器。
仅从功能上来说，jvm中的pc和通用计算机中的pc含义一致：用于存放下一条指令所在的地址。（出自计算机原理）
因此pc寄存器是一块很小的地方，《深入理解java虚拟机》中将其解释为当前线程所执行的字节码的行号指示器。通过改变pc寄存器的值，可以选择下一条需要执行的字节码指令。
既然是存放的指令的地址，指令有两种类型：一个是程序员手写的java方法，另一个是native方法；pc寄存器也存在两种情况：
1.正在执行的是java方法，pc寄存器存的则是正在执行的编译好的字节码的指令的地址；
2.正在执行的是native方法，pc寄存器为空。
该区域时唯一一个不会outofmemoryerror的区域。
由于java多线程的需求，为了多线程的切换能正确工作，每个线程都有一个独立的pc寄存器，各线程之间pc寄存器互不影响，独立存储，pc寄存器是“线程私有”的内存。

虚拟机栈（VM Stack）

想象一下，java在执行各种方法，尤其是递归方法时，是如何保证顺序的？

一种最简单的思想就是使用栈。遇到一个方法时将其入栈，该方法执行完则出栈，如果遇到递归，则当前未执行完的方法入栈，并将递归方法中的方法再次入栈，直到递归结束。

实际上虚拟机栈（VM Stack）就是按照这种方式运行的:

虚拟机栈是这样描述java方法执行的：每个方式执行时都会创建一个栈帧（Stack Frame），用于保存局部变量表，操作数栈，动态链接，返回地址等。

每一个方法从调用直至执行完成的过程，对应着一个栈帧在vm stack中入栈到出栈的过程

局部变量表

顾名思义，局部变量表就是用于存放编译期间（注意是编译期间）各种变量的值（基本类型变量）和引用对象地址还有returnAddress的空间。
也就是说，对于基本类型的变量（8种），其值是直接保存在局部变量表中的，引用类型（String，对象）是保存了一个该应用的地址，而对象的实际数据是在堆（Heap）中，还有一个就是returnAddress。
returnAddress可以理解为该函数返回时应该返回到哪里，即函数返回的地址。

操作数栈

操作数栈中保存的也是数据，但不同的是，操作数栈的作用是实际完成函数中的具体操作，比如各种运算等。
熟悉栈的都知道，一般栈可以用来完成各种操作运算。实际上在java虚拟机中，这种运算操作就是通过栈来实现的。
为了理解局部变量表和操作数栈的区别以及两者的工作原理，可以看下图：

图中函数实现的功能是计算和。
局部变量表一开始就有一个该函数的数据变量的快照，即保存了所有变量，然后使用操作数栈来完成具体的计算操作，先是两个操作数入栈（a和b），然后出栈进行运算，运算结果再入栈，最后结果保存到局部变量表的变量c中。
由此可见，虚拟机栈也是线程私有的，其生命周期和线程相同。
关于局部变量表和操作数栈，参考博客：局部变量表和操作数栈

动态链接

动态链接即表明该栈帧属于哪一个函数。
通过上面的介绍，我们知道了虚拟机栈是线程私有的，那么函数本身肯定就不在虚拟机栈中了，因为函数显然是可以多次被调用的。
实际上函数是保存在方法区中的运行时常量池中的（后文会讲），那么如何知道栈帧是属于哪一方法呢？这就是动态链接的作用了。实际上这个所谓的动态引用可能就是一个地址而已。

方法返回地址

顾名思义，就是该方法返回时返回到先前调用该方法的地址的地方，以便程序能接着执行。

异常

在java虚拟机规范中，对于虚拟机栈规定了两种异常状况：StackOverflowError和OutOfMemoryError。
在虚拟机栈中和其操作数栈中，栈都是有深度限制的，若栈帧数或者操作数的数量超过了其栈的允许值，那么就会报StackOverflowError.
而如果虚拟机栈的数量限制可以动态扩展（大部分虚拟机都支持动态扩展），而在扩展时无法申请到足够的内存，则会抛出OutOfMemoryError。

本地方法栈

和虚拟机栈类似，不过该部针对的不是java方法，而是native方法。
同样会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

堆（Heap）

几乎所有的对象实例都在堆上分配，即堆空间的唯一目的就是用于存放对象。
java虚拟机规范对其描述是：The heap is the runtime data area from which memory for all instances and arrays is allocated.
也因此，堆是垃圾回收作用的空间。
对具体的划分会在后续博客介绍。
目前大部分的jvm实现，堆的大小都是可扩展的（通过-Xmx和-Xms来控制），如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆无法再扩展时，会抛出OutOfMemoryError。
可以知道，堆是被线程共享的。

方法区（Method Area）

同样是各个线程共享的区域，方法区是保存类的信息。
举个例子

main创建一个类的对象，那么一开始内存中是没有该类的信息的（不可能一开始就把所有类的信息加载到内存中），于是，类加载器（ClassLoader）首先定位到这个类的.class文件，然后读取这个文件（IO操作），jvm提取类信息，并将其存到方法区中。那么下一次在需要创建该类的对象时，就从方法区中取该类的信息。

方法区的大小可以可以动态调整的，当无法再扩展时就抛出OutOfMemoryError.
当方法区中的某各类不在被需要（不可达时），该类的信息就被卸载，即被垃圾回收。
方法区保存的类的信息一般包括常量，类的类型（Class or Interface），访问修饰符（public private等）等。
方法区中还细分一块区域叫做运行时常量池（Runtime Constant Pool），用于存放字段、方法信息、静态变量等。