3、探索JVM内存区域的神秘用途

最新推荐文章于 2025-06-09 05:55:06 发布

无法无天过路客

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分类专栏： JVM-全方位解析JVM，让知识不再有盲区文章标签： jvm java 面试

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本文探讨了JVM内存区域的划分，包括方法区（在JDK 1.8后称为Metaspace）、程序计数器、Java虚拟机栈和Java堆等。方法区存储类信息，程序计数器记录执行指令位置，虚拟机栈存放方法局部变量，堆内存存储对象实例。理解这些内存区域对于Java开发者和面试准备至关重要。

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在深入了解了JVM的类加载机制之后，我们来探讨一下JVM的内存区域划分。这一主题是互联网公司面试中常会涉及到的知识点，因此对求职者来说，掌握其细节显得尤为重要。

3.1、你真的了解内存是如何被划分的吗？

其实这个问题非常简单，JVM在运行我们写好的代码时，他是必须使用多块内存空间的，不同的内存空间用来放不同的数据，然后配合我们写的代码流程，才能让我们的系统运行起来。
举个最简单的例子，比如咱们现在知道了JVM会加载类到内存里来供后续运行，那么我问问大家，这些类加载到内存以后，放到哪儿去了呢？想过这个问题吗？
所以JVM里就必须有一块内存区域，用来存放我们写的那些类。

在JVM的运行过程中，内存管理是至关重要的一部分。实际上，这个过程并不复杂。当我们编写的代码被执行时，JVM需要使用多个不同的内存区域，每个区域都用于存储特定类型的数据。这些内存区域与我们的代码流程紧密配合，共同确保系统的正常运行。

让我们通过一个简单的例子来理解这个概念。我们知道，JVM会将类加载到内存中以供后续运行。那么，这些被加载的类在内存中的何处存放呢？这是一个值得我们思考的问题。

为了解决这个问题，JVM内部必须有一个专门的内存区域，用于存储我们编写的类。我们来看下面的图：
在这里插入图片描述

当我们的代码开始运行时，我们是否要执行我们编写的每一个方法？在运行这些方法时，方法内部包含的众多变量等元素，是否需要被存储在某个内存区域中？进一步地，如果我们的代码中创建了一些对象，那么这些对象是否也需需要分配相应的内存空间来储存呢？同样的，大家看下图：

在这里插入图片描述

这就是为什么在JVM中，我们必须划分不同的内存区域，这是为了让我们编写的代码在运行过程中能够根据需要使用。接下来，我们将逐一探讨JVM中的不同内存区域。

3.2、方法区

在JDK 1.8之前，JVM中有一个特定的区域，被称为方法区。这个区域的主要作用是存储从".class"文件中加载的类信息，同时也会存放一些类似于常量池的数据。

然而，在JDK 1.8及以后的版本中，这个区域的名称发生了变化，被重新命名为"Metaspace"，即元数据空间。虽然名字改变了，但是其主要功能并未发生变化，仍然是用于存储我们自己编写的各种类相关的信息。

例如，如果我们有两个类，一个是"User.class"，另一个是"UserManager.class"，那么这两个类的相关信息就会存储在Metaspace中，就像下面的代码所展示的那样。

public class User {
    public static void main() {
        UserManager UserManager = new UserManager();
    }
}

在这个例子中，"User.class"和"UserManager.class"的类信息就会被加载到Metaspace中。这两个类加载到JVM后，就会放在这个方法区中，大家看下图：
在这里插入图片描述

3.3、程序计数器

继续假设我们的代码是如下所示：

public class User {
    public static void main() {
        UserManager UserManager = new UserManager();
        UserManager.loadUserInfoFromDB();
    }
}

之前我们讨论过，实际上，Java源代码首先存在于以“.java”为后缀的文件中，这种文件就是我们所说的Java源代码文件。

然而，这些文件是面向我们程序员的，计算机本身无法理解你写的代码。因此，我们需要通过编译器，将“.java”为后缀的源代码文件编译成以“.class”为后缀的字节码文件。

这个“.class”为后缀的字节码文件，其中存储的就是经过编译的你的代码所生成的字节码。字节码是一种可以被计算机理解的语言，而不是我们最初编写的源代码。

字节码的样貌大致如下，它与上述的代码无关，只是一个示例，旨在让大家对字节码有一个直观的感受。

public java.lang.String getName();
     descriptor: ()Ljava/lang/String;
     flags: ACC_PUBLIC
     Code:
         stack=1, locals=1, args_size=1
             0: aload_0
             1: get_field    #2
             4: areturn

这段字节码的主要目的是让大家了解，当我们的Java源代码文件（以“.java”为扩展名）被编译后，会生成对应的字节码文件（以“.class”为扩展名），这些字节码文件的内容大致是什么样子的。

例如，“0: aload_0”这样的字符串，就是一条字节码指令。这些字节码指令对应着底层的机器指令，计算机通过读取这些机器码指令，才能知道具体应该执行什么操作。这些指令可能包括从内存中读取数据，或者将数据写入内存等，各种不同的指令会指导计算机执行各种不同的任务。

因此，我们首先需要明白的是：我们编写的Java代码会被编译成字节码，这些字节码对应着各种字节码指令。

接下来，当我们的Java代码在JVM上运行时，第一步就是将Java代码编译成字节码指令，然后这些字节码指令会被逐条执行，从而实现我们编写的代码的预期效果。

所以，当JVM将类信息加载到内存后，实际上会使用其内置的字节码执行引擎，去执行我们编写的代码编译出来的字节码指令。这个过程可以如下图所示。
在这里插入图片描述

在执行字节码指令的过程中，JVM需要一个特殊的内存区域，这就是“程序计数器”。

程序计数器的主要功能是记录当前正在执行的字节码指令的位置，换句话说，它负责跟踪目前执行到哪一条字节码指令。为了更直观地解释这个概念，我们可以借助一张图来说明。
在这里插入图片描述

JVM支持多线程并发执行。这意味着当你编写的代码在JVM上运行时，可能会启动多个线程来同时执行不同的代码块。

为了实现这种并发性，每个线程都会拥有一个独立的程序计数器。这个计数器的主要功能是跟踪当前线程正在执行的指令。具体来说，它会记录下一条要执行的字节码指令的位置，确保线程能够准确地按照预定的顺序执行相应的操作。

下面提供的图示更直观地展示了线程、程序计数器以及它们之间的关联关系。通过观察这张图，你可以更清楚地理解多线程环境下的线程管理和指令执行过程。
在这里插入图片描述

3.4、Java虚拟机栈

在Java代码执行过程中，无论是哪种方法中的代码，都是由线程来负责执行的。即便是简单的代码，也会由一个主线程（main线程）来执行main()方法中的代码。当主线程执行main()方法的代码指令时，它会通过对应的程序计数器（Program Counter）来记录当前正在执行的指令位置。

public class User {
    public static void main() {
        UserManager UserManager = new UserManager();
        UserManager.loadUserInfosFromDB();
    }
}

在方法中，我们经常会在方法内部定义一些局部变量。例如，在上述的main()方法中，就有一个名为UserManager的局部变量，它引用了一个UserManager实例对象。不过，我们先不关注这个对象的细节，而是来了解一下方法和局部变量的概念。

因此，JVM必须有一个特定的区域来存储每个方法内的局部变量等数据，这个区域就是Java虚拟机栈。每个线程都有自己的Java虚拟机栈，比如这里的main线程就会有自己的一个Java虚拟机栈，用来存放自己执行的方法的局部变量。

当线程执行一个方法时，会为这个方法创建一个对应的栈帧。栈帧包含了该方法的局部变量表、操作数栈、动态链接和方法出口等信息。在这里，我们可以暂时不用全部理解这些概念，先关注局部变量。

以main线程为例，当它执行main()方法时，就会为这个main()方法创建一个栈帧，并将该栈帧压入main线程的Java虚拟机栈中。同时，在main()方法的栈帧中，会存放相应的UserManager局部变量。上述过程，如下图所示：
在这里插入图片描述

然后假设main线程继续执行UserManager对象里的方法，比如下面这样，就在“loadUserInfosFromDB”方法里定义了一个局部变量：“hasFinishedLoad”

public class UserManager {
    public void loadUserInfosFromDB() {
        boolean hasFinishedLoad = false;
    }
}

那么main线程在执行上面的“loadUserInfosFromDB”方法时，就会为“loadUserInfosFromDB”方法创建一个栈帧压入线程自己的Java虚拟机栈里面去。
然后在栈帧的局部变量表里就会有“hasFinishedLoad”这个局部变量。整个过程如下图所示：
在这里插入图片描述

接着如果“loadUserInfosFromDB”方法调用了另外一个“isLocalDataCorrupt()”方法，这个方法里也有自己的局部变量，比如下面这样的代码：

public class UserManager {
    public void loadUserInfosFromDB() {
        boolean hasFinishedLoad = false;
        if (isLocalDataCorrupt()) {
            // 
        }
    }
    public boolean isLocalDataCorrupt() {
        boolean isCorrupt = false;
        return isCorrupt;
    }
}

那么这个时候会给“isLocalDataCorrupt”方法又创建一个栈帧，压入线程的Java虚拟机栈里。
而且“isLocalDataCorrupt”方法的栈帧的局部变量表里会有一个“isCorrupt”变量，这是“isLocalDataCorrupt”方法的局部变量。整个过程，如下图所示：
在这里插入图片描述

在JVM中，当一个方法执行完毕后，与之对应的栈帧会从Java虚拟机栈中被弹出。以“isLocalDataCorrupt”方法为例，一旦该方法执行完毕，其对应的栈帧便会从Java虚拟机栈中出栈。同样的，如果“loadUserInfosFromDB”方法也执行完毕，那么它对应的栈帧也会从Java虚拟机栈中出栈。

这就是JVM中“Java虚拟机栈”这一组件的主要作用：在调用并执行任何方法时，都会为该方法创建一个新的栈帧并将其压入栈中。在这个栈帧中，存放了该方法的局部变量以及其他与该方法执行相关的信息。一旦方法执行完毕，对应的栈帧便会从栈中弹出。

为了更好地理解这一过程，我们可以借助一张图来展示。在这张图中，我们可以看到，每个线程在执行代码时，除了程序计数器之外，还会配备一个Java虚拟机栈内存区域，用于存放每个方法中的局部变量表。
在这里插入图片描述

3.5、Java堆内存

在Java中，当main线程执行main()方法时，它会有自己的程序计数器，这是用来记录下一条需要执行的指令。

同时，Java虚拟机会按照代码的执行顺序，将main()方法，loadUserInfosFromDB()方法，isLocalDataCorrupt()方法的栈帧依次压入Java虚拟机栈。这些栈帧用于存放每个方法的局部变量，以及相关的运行信息。

然而，除了上述的结构，Java虚拟机还有一个非常关键的区域，那就是Java堆内存。Java堆内存是用于存放我们在代码中创建的各种对象的存储区域。这些对象在被创建后，会被分配在Java堆内存中，直到它们不再被使用，才会被垃圾回收器回收。比如下面的代码：

public class User {
    public static void main() {
        UserManager UserManager = new UserManager();
        UserManager.loadUserInfosFromDB();
    }
}

通过执行"new UserManager()"这行代码，我们创建了UserManager类的一个对象实例。这个对象实例将包含一些数据，如下面的代码所示。

在UserManager类中，"UserInfoCount"是该对象实例的一个属性。类似UserManager这样的对象实例，会被存储在Java堆内存中。

public class UserManager {
    private long UserInfoCount;
    public void loadUserInfosFromDB() {
        boolean hasFinishedLoad = false;
        if (isLocalDataCorrupt()) {
            // 
        }
    }
    public boolean isLocalDataCorrupt() {
        boolean isCorrupt = false;
        return isCorrupt;
    }
}

在Java的堆内存区域，会存储诸如UserManager这样的对象。当我们在main方法中创建了一个UserManager对象时，当线程执行到main方法的代码，会在与main方法对应的栈帧的局部变量表中，创建一个引用类型的局部变量“UserManager”，用于存储UserManager对象的地址。

换句话说，你可以理解为局部变量表中的“UserManager”变量，是指向了Java堆内存中的UserManager对象的。还是给大家来一张图，更加清晰一些：
在这里插入图片描述

3.6、核心内存区域全流程解码

其实我们把上面的那个图和下面的这个总的大图一起串起来看看，还有配合整体的代码，我们来捋一下整体的流程，大家就会觉得很清晰。
在这里插入图片描述

public class User {
    public static void main() {
        UserManager UserManager = new UserManager();
        UserManager.loadUserInfosFromDB();
    }
}

public class UserManager {
    private long UserInfoCount;
    public void loadUserInfosFromDB() {
        boolean hasFinishedLoad = false;
        if (isLocalDataCorrupt()) {
            // 
        }
    }
    public boolean isLocalDataCorrupt() {
        boolean isCorrupt = false;
        return isCorrupt;
    }
}