JVM系列（3）——运行时数据区

3 运行时数据区

运行时数据区，按照规范包括：pc 寄存器（程序计数器）、虚拟机栈、堆、方法区、运行时常量池、本地方法栈。

这几块逻辑结构上可以这么划分：

• 线程共享：
  • 方法区：
    • 运行时常量池
  • 堆
• 线程私有：
  • 程序计数器
  • 虚拟机栈
  • 本地方法栈

3.1 各区域的作用

3.1.1 虚拟机栈

也就是通常所说的“堆栈”的“栈”。

主要存放局部变量、还没计算出结果的中间值。这些数据存放在一个叫“栈帧”的结构里面。

在创建线程的同时创建出来。不要求连续，不要求一定分配在物理机的栈内存上，只要不影响虚拟机栈的功能即可。

从存放的数据来看，显然这些数据与其它线程无关，没必要共享给其它线程。一旦共享，就存在被其它线程更改的风险。所以没必要，直接禁止其它线程访问最简单。

栈内存不需要垃圾回收，因为用完就整块都不要了。

3.1.2 本地方法栈

与虚拟机栈类似，区别是，本地方法栈是给 native 方法使用的。

虽然逻辑上存在本地方法栈这块内存区域，但具体的虚拟机实现也不需要太死板，比如 HotSpot 就把虚拟机栈和本地方法栈合并在一起。

3.1.3 程序计数器

计数用，怎么计呢？就分配一块内存，存储当前线程在执行哪个指令，实际存储的是这个指令的内存地址。所以程序计数器占用的内存，只要能存下一个内存地址就够了。

程序计数器也必须线程私有，因为线程挂起与恢复的时候要靠这个值来恢复到正确的执行位置。

3.1.4 堆

存放实例（对象）。

但，反过来，对象存放在堆，这话就不对，或者说过时了。Java 对象也是可以直接在栈上分配内存的，如果一个对象占用内存并不大，而且不会被其它线程访问，那么直接把它分配在栈上效率更高，因为用完直接扔，不需要垃圾回收了。

堆内存在虚拟机启动时创建，并且必须要实现垃圾回收。物理内存不要求连续。

3.1.5 方法区

类加载之后的基本信息比如字段、方法之类都放在这里。

按虚拟机规范，方法区算是堆内存的一个逻辑组成部分。

不过有显著差异，方法区可以不实现垃圾回收。因为这块内存存储的是类信息，已经加载进虚拟机的类大多数时候都是要用的，回收也很难回收多少内存，属于费力不讨好的工作。所以“永久代”并不是一个好的实现，在 Java 8 已经彻底废弃了。

方法区与永久代、元空间的关系：

• 运行时数据区的逻辑划分只有方法区，没有永久代、元空间；
• 永久代是 Java 7 之前 HotSpot 的方法区实现；
• 元空间是 Java 8 的 HotSpot 引入的方法区实现。

3.1.6 运行时常量池

主要存放一些常量，在逻辑上属于方法区的一部分。

简单来说，class 文件中的常量池，在被类加载进入方法区之后，就放到了运行时常量池。

class 文件的常量池是编译期生成的静态常量池。运行时常量池既然被称为运行时，显然具有运行时动态扩展的特性。运行时解析出来的直接引用以及字符串常量也会放在这里。

3.2 栈帧

主要包括：局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址。还可以有一些其它附加信息，虚拟机规范没有要求，虚拟机实现自由发挥。

局部变量表，就是一个数组，slot[ ]，每一个位置一般称为一个 slot。通常 this 引用放在第 0 个 slot（如果是实例方法），方法入参依次往后排。除 long，double 变量占用 2 个 slot，其它类型都只占用 1 个 slot。

操作数栈，就是一个栈。之所以要有这么一个栈结构存在，是因为 JVM 指令集是基于栈设计的，指令的操作数需要用到这个栈结构。如果指令集是基于寄存器设计的，那么这里可能就没有操作数栈，JVM 可能要模拟一个寄存器出来。

动态连接涉及到类加载，后面再说。

返回地址，虚拟机规范没有明确说这个东西用来干嘛的。或许可以用来存储上一个栈帧的程序计数器，因为当前栈帧要承担恢复上一个栈帧的责任，局部变量表和操作数栈每个栈帧都有，而程序计数器一个虚拟机栈只有一个。

3.3 直接内存

直接内存不属于 JVM，除了 JVM 管理的内存，物理机上剩下的所有内存都算是直接内存。

由于不受 JVM 管辖，所以要使用这块内存需要自己分配与回收内存。

至于怎么分配与回收直接内存，可以参考 jdk 的 java.nio.DirectByteBuffer这个类，后面会找一个合适的章节来讲这块源码。

3.4 内存溢出

不会发生内存溢出的：程序计数器。

可能 OutOfMemoryError，不会 StackOverflowError 的：堆、方法区、直接内存。

可能 OutOfMemoryError 和 StackOverflowError 的：虚拟机栈、本地方法栈。

3.4.1 堆 OutOfMemoryError

package per.lvjc.jvm;

/**
 * -Xmx19m
 */
public class OOMTest {
   
   

    public static void main(String[] args) {
   
   
        byte[] bytes = new byte[20 * 1024 * 1024];
    }
}

3.4.2 方法区 OutOfMemoryError

package per.lvjc.jvm;

import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

import java.lang.reflect.Method;

/**
 * -XX:MaxMetaspaceSize=10m
 * -XX:+PrintGC