【从零开始学习JVM | 第六篇】运行时数据区

前言：

    JVM运行时数据区是程序运行时内存分配的核心区域，用于存储不同类型的数据和执行状态。堆用于存放对象实例，是垃圾回收主要区域；方法区存储类信息、常量等共享数据；虚拟机栈随方法调用创建栈帧，管理局部变量和方法执行；本地方法栈处理Native方法调用；程序计数器记录当前执行字节码位置。这些区域协同工作，保障程序的内存分配、指令执行和状态管理，是JVM实现跨平台运行的重要基础。

接下来让我们一起来探索运行时数据区。

运行时数据区五部分

程序计数器

    程序计数器（Program Counter Register）也叫pc寄存器是 JVM 运行时数据区中最小的一块内存区域，它的作用类似于 “代码执行的游标”。每个线程都有独立的程序计数器，用于存储当前线程要执行的字节码指令地址：如果执行的是 Java 方法，计数器记录的是字节码指令的地址；如果执行的是 Native 方法，计数器值为空（Undefined）。

    由于 JVM 的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器时间片的方式实现的，因此在任何时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）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，各线程之间的计数器互不影响，独立存储，这类内存区域被称为 “线程私有” 的内存。

    程序计数器是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域（也就是不会出现内存泄漏），因为它的生命周期与线程相同，随线程的启动而创建，随线程的结束而销毁。

在代码执行过程中程序计数器会记录下一行字节码指令（核心）的地址。每次执行完当前指令，虚拟机都可以根据程序计数器执行下一次的指令。

java虚拟机栈

   JVM 中的栈主要指虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），它是线程私有的内存区域，生命周期与线程一致。虚拟机栈用于存储栈帧，每个栈帧对应一个方法的调用过程，包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等信息。

1. 栈帧（Stack Frame）

每个栈帧代表一次方法调用，随方法调用创建，随方法返回销毁，包含以下关键组件：

• 局部变量表（Local Variable Table）

  • 存储方法参数和局部变量（如基本类型变量、对象引用）。
  • 以数组形式实现，容量在编译期确定，通过索引访问变量。

• 操作数栈（Operand Stack）

  • 用于字节码指令执行时的临时数据存储和计算，遵循 “后进先出（LIFO）” 原则。
  • 例如执行i = a + b时，先将a和b压入栈，计算后将结果压回栈。

• 动态链接（Dynamic Linking）

  • 存储方法的符号引用（如类名、方法名），在运行时解析为直接引用（内存地址）。
  • 指向方法区中的类信息，用于方法调用时的动态绑定。

• 方法返回地址（Return Address）

  • 记录方法执行完毕后返回的位置（方法的下一条指令地址）。
  • 方法正常返回时，返回地址来自程序计数器；异常返回时，返回地址由异常处理机制决定。

栈的内存溢出

StackOverflowError（栈溢出）

• 触发场景：
  • 方法递归调用深度超过栈的最大深度（如无限递归、递归深度过大）。
  • 方法栈帧过大（如局部变量表占用内存过多），导致栈无法容纳新栈帧。

如果递归调用没有正确的结束条件，就会这样。比如：

public void recursiveMethod() {  recursiveMethod();  // 无限递归，不断创建栈帧  
}  

栈的默认大小

    JVM 虚拟机栈的默认大小会因 JVM 实现和操作系统的不同而有所差异。以常用的 HotSpot 虚拟机为例，在 64 位操作系统下，其默认栈大小通常在 1MB 左右（比如 1MB 或 1.5MB），而 32 位系统可能会有不同的默认值。不过，这个默认值并非绝对固定，它还可能受到 JDK 版本的影响，比如较新版本的 JDK 可能会根据硬件环境调整默认配置。另外，不同的 JVM 参数设置也能改变栈的大小，例如通过-Xss参数可以显式指定每个线程的栈空间大小。需要注意的是，默认大小在多数常规应用场景下是足够的，但如果程序中存在深度递归或大量线程并发的情况，可能需要根据实际需求调整该值，以避免出现栈溢出异常。

修改栈大小语法：-Xss栈大小

以下是不同操作系统下 JVM 栈默认大小的相关情况：

• Linux：在 64 位 Linux 系统（x64 架构）中，JVM 栈的默认大小通常是 1024KB，即 1MB。在 32 位的 Linux 系统上，如 x86 平台，JVM 栈默认大小可能是 320KB。
• macOS：对于 64 位的 macOS 系统，JVM 栈的默认大小一般为 1024KB，也就是 1MB。
• Windows：Windows 系统中 JVM 栈的默认大小情况较为特殊，它依赖于虚拟内存，没有一个固定的明确值。在 32 位的 Windows JVM 中，原生栈大小通常是 320KB，在 64 位 JVM 中通常不会修改这个值，但这并不是严格固定的默认值。
• Oracle Solaris：在 64 位的 Oracle Solaris 系统（x64 架构）上，JVM 栈的默认大小为 1024KB（1MB）。在 32 位的 Sparc 平台上，Java SE 6 中默认栈大小是 512KB。

需要注意的是，这些默认值可能会因 JVM 的版本、JDK 的实现以及硬件环境等因素而有所不同。

堆内存

堆内存的核心作用

JVM 堆内存是 JVM 运行时数据区中最大的一块内存区域，由所有线程共享。其核心作用是：

• 存储对象实例：所有通过new创建的对象（如类实例、数组等）都存放在堆中。
• GC 管理的主要区域：堆内存由垃圾回收器（GC）自动管理，负责回收不再使用的对象，释放内存空间。

栈上的局部变量表，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。

• 堆空间有三个需要关注的值，used，total，max。
• used指的是当前已使用的堆内存，total是指java虚拟机已经分配可以使用的内存，max指堆的最大容量。

当total内存不够是，Java虚拟机会继续分配内存给total

那是不是used=total=max的内存就溢出？答案：不是。

在 JVM 堆内存中，“堆内存溢出”（Out of Memory, OOM）的触发条件并非简单的 “已使用内存（used）等于总内存（total）等于最大内存（max）”，而是由内存分配请求失败触发的。

OOM 的真正触发条件

JVM 触发堆内存溢出的核心逻辑是：当尝试分配对象时，发现堆内存无法满足分配需求，且无法通过扩展或 GC 释放足够空间。具体流程如下：

1. 分配对象时，JVM 检查当前堆剩余空间（total - used）是否足够。
2. 若不足，先尝试扩展堆（若total < max），扩展后再检查空间。
3. 若扩展后仍不足，或total已等于max，则触发 GC 回收内存。
4. 若 GC 后剩余空间仍无法满足分配需求，抛出java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常。

设置堆大小

语法：-Xmx值  -Xms值

限制：Xmx必须大于2MB，Xms必须大于1MB

方法区

一个虚拟概念，方法区是 Java 虚拟机（JVM）内存结构中的一部分，主要用于存储已加载类的元数据、常量、静态变量等数据。在类的加载阶段完成

方法区的定位与作用

• 位置：方法区属于 JVM 的堆外内存（非堆内存），独立于 Java 堆存在。
• 核心作用：存储类的结构信息（如字段、方法、接口）、运行时常量池、静态变量、即时编译（JIT）后的代码等，是 JVM 加载类时的 “数据仓库”。

方法区的关键组成部分（jdk8之前）

1. 类元数据（Class Metadata）

   • 存储类的完整定义，包括类名、父类、接口、字段类型、方法字节码等，由 JVM 的类加载器加载后存入。
   • 例如：public class User { int id; void print() { ... } }的类结构会在此处存储。

2. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

   • 是类文件中常量池的运行时版本，包含编译期确定的字面量（如字符串、基本类型值）和符号引用（如方法名、字段名）。
   • 例如：String str = "hello"中的"hello"字符串会存入常量池。

3. 静态变量（Static Variables）

   • 类中用static修饰的变量，其内存分配在方法区，生命周期与类相同。
   • 例如：static int count = 100;的count变量存储于此。

4. 即时编译代码（JIT Compiled Code）

   • JVM 对热点代码（频繁执行的方法）进行即时编译后生成的本地机器码，也存储在方法区。

在JDK8之前，静态变量存储在JVM的方法区中。方法区是用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量以及即时编译器编译后的代码等数据。这个区域被称为永久代（PermGen）。

然而，从JDK8开始，Java虚拟机内存模型发生了变化，永久代被元空间（Metaspace）所取代。与永久代不同，元空间并不在虚拟机内存中而是使用本地内存。因此，静态变量和常量池已从方法区迁移到了堆内存中。这意味着在JDK8及之后的版本中，静态变量实际上是存储在堆内存中的。

1. JDK 1.7 及之前：永久代（PermGen）

   • 使用堆的一部分作为方法区，称为 “永久代”，大小由参数-XX:PermSize（初始）和-XX:MaxPermSize（最大）控制。
   • 常见问题：永久代大小固定，易因类加载过多导致 “PermGen OOM”（如 Web 容器部署多应用时）。

2. JDK 1.8 及之后：元空间（Metaspace）

   • 移除永久代，将方法区移至直接内存，称为 “元空间”。
   • 关键变化：
     • 大小不再受堆限制，由系统内存决定，可通过-XX:MetaspaceSize（初始阈值）和-XX:MaxMetaspaceSize（最大限制，默认无上限）调整。
     • 类元数据存储在元空间，字符串常量池移至 Java 堆（解决 PermGen 中字符串常量的内存管理问题）。

本地方法栈

本地方法栈的定位与作用

• 位置：与虚拟机栈（Java Stack）并列，属于 JVM 运行时数据区的一部分，独立于 Java 堆存在。
• 核心作用：为 Java 代码中通过native关键字声明的本地方法（非 Java 语言实现的方法，通常由 C/C++ 编写）提供调用栈空间，存储方法调用的局部变量、操作数栈、返回地址等信息。

本地方法栈的工作机制

1. 本地方法的调用场景

   • 当 Java 代码需要调用底层操作系统或硬件功能时（如文件操作、网络通信、图形界面等），会通过native方法调用本地代码。
   • 例如，Java 的java.lang.Thread类中的部分方法（如start0()）就是通过本地方法实现的。

2. 与虚拟机栈的区别

   • 虚拟机栈：管理 Java 方法的调用，存储 Java 方法的栈帧（局部变量表、操作数栈等）。
   • 本地方法栈：管理本地方法的调用，其具体实现由 JVM 厂商决定（如 HotSpot 虚拟机将本地方法栈与虚拟机栈合并实现）。

本地方法栈的内存模型与参数配置

1. 内存分配方式

   • 本地方法栈的内存空间是线程私有的，每个 Java 线程在创建时会分配独立的本地方法栈。
   • 栈的大小可通过 JVM 参数-Xoss（非标准参数，部分 JVM 支持）设置，例如：-Xoss 256k表示将本地方法栈大小设为 256KB。

2. 不同 JVM 实现的差异

   • HotSpot 虚拟机：未明确区分本地方法栈和虚拟机栈，两者使用相同的栈空间，通过-Xss参数统一设置栈大小（如-Xss 1M）。
   • 其他 JVM（如 JRockit）：可能单独实现本地方法栈，参数配置方式不同

总结

    JVM 运行时数据区是 Java 虚拟机在执行程序时管理内存的核心结构，主要包括以下几个部分：

   首先是堆内存，它是 JVM 中最大的一块内存区域，被所有线程共享，用于存储对象实例和数组，是垃圾回收的主要区域，分为新生代和老年代等不同区域以优化内存管理。

   其次是方法区，同样被所有线程共享，用于存储类的元数据、常量、静态变量以及即时编译后的代码等，在 JDK 8 及以后版本中，方法区的实现改为元空间，使用本地内存。

   虚拟机栈是线程私有的，每个线程都有一个虚拟机栈，用于存储方法调用时的栈帧，包括局部变量表、操作数栈、动态链接和方法返回地址等，当方法调用深度超过栈大小时会抛出栈溢出异常。

   本地方法栈也是线程私有的，用于管理本地方法（通过 native 关键字声明的方法）的调用，不同 JVM 实现可能将其与虚拟机栈合并，如 HotSpot 虚拟机中通过参数统一设置栈大小。

   程序计数器是线程私有的，是最小的一块内存区域，用于记录当前线程执行的字节码指令地址，以便线程切换后能恢复执行，Java 方法执行时记录字节码地址，本地方法执行时计数器值为 undefined。

此外，还有运行时常量池，是方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，运行时可能动态添加常量，如 String 的 intern () 方法。这些区域共同构成了 JVM 运行时的数据存储和管理体系，各自承担不同的内存职责，确保 Java 程序的正常执行。

感谢你的阅读，希望通过本篇文章你能对java虚拟机有一个更深刻的认识，感谢你的阅读。创作不易你的阅读点赞和转发是我最大的动力。