學(xué)過(guò)C語(yǔ)言的朋友都知道C編譯器在劃分內(nèi)存區(qū)域的時(shí)候經(jīng)常將管理的區(qū)域劃分為數(shù)據(jù)段和代碼段，數(shù)據(jù)段包括堆、棧以及靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。那么在Java語(yǔ)言當(dāng)中，內(nèi)存又是如何劃分的呢？

　　由于Java程序是交由JVM執(zhí)行的，所以我們?cè)谡凧ava內(nèi)存區(qū)域劃分的時(shí)候事實(shí)上是指JVM內(nèi)存區(qū)域劃分。在討論JVM內(nèi)存區(qū)域劃分之前，先來(lái)看一下Java程序具體執(zhí)行的過(guò)程：

　　如上圖所示，首先Java源代碼文件(.java后綴)會(huì)被Java編譯器編譯為字節(jié)碼文件(.class后綴)，然后由JVM中的類(lèi)加載器加載各個(gè)類(lèi)的字節(jié)碼文件，加載完畢之后，交由JVM執(zhí)行引擎執(zhí)行。在整個(gè)程序執(zhí)行過(guò)程中，JVM會(huì)用一段空間來(lái)存儲(chǔ)程序執(zhí)行期間需要用到的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，這段空間一般被稱作為Runtime Data Area（運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)），也就是我們常說(shuō)的JVM內(nèi)存。因此，在Java中我們常常說(shuō)到的內(nèi)存管理就是針對(duì)這段空間進(jìn)行管理（如何分配和回收內(nèi)存空間）。

　　在知道了JVM內(nèi)存是什么東西之后，下面我們就來(lái)討論一下這段空間具體是如何劃分區(qū)域的，是不是也像C語(yǔ)言中一樣也存在棧和堆呢？

一.運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)包括哪幾部分？

　　根據(jù)《Java虛擬機(jī)規(guī)范》的規(guī)定，運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)通常包括這幾個(gè)部分：程序計(jì)數(shù)器(Program Counter Register)、Java棧(VM Stack)、本地方法棧(Native Method Stack)、方法區(qū)(Method Area)、堆(Heap)。

　　如上圖所示，JVM中的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)應(yīng)該包括這些部分。在JVM規(guī)范中雖然規(guī)定了程序在執(zhí)行期間運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)應(yīng)該包括這幾部分，但是至于具體如何實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有做出規(guī)定，不同的虛擬機(jī)廠商可以有不同的實(shí)現(xiàn)方式。

二.運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的每部分到底存儲(chǔ)了哪些數(shù)據(jù)？

　　下面我們來(lái)了解一下運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的每部分具體用來(lái)存儲(chǔ)程序執(zhí)行過(guò)程中的哪些數(shù)據(jù)。

1.程序計(jì)數(shù)器

　　程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register），也有稱作為PC寄存器。想必學(xué)過(guò)匯編語(yǔ)言的朋友對(duì)程序計(jì)數(shù)器這個(gè)概念并不陌生，在匯編語(yǔ)言中，程序計(jì)數(shù)器是指CPU中的寄存器，它保存的是程序當(dāng)前執(zhí)行的指令的地址（也可以說(shuō)保存下一條指令的所在存儲(chǔ)單元的地址），當(dāng)CPU需要執(zhí)行指令時(shí)，需要從程序計(jì)數(shù)器中得到當(dāng)前需要執(zhí)行的指令所在存儲(chǔ)單元的地址，然后根據(jù)得到的地址獲取到指令，在得到指令之后，程序計(jì)數(shù)器便自動(dòng)加1或者根據(jù)轉(zhuǎn)移指針得到下一條指令的地址，如此循環(huán)，直至執(zhí)行完所有的指令。

　　雖然JVM中的程序計(jì)數(shù)器并不像匯編語(yǔ)言中的程序計(jì)數(shù)器一樣是物理概念上的CPU寄存器，但是JVM中的程序計(jì)數(shù)器的功能跟匯編語(yǔ)言中的程序計(jì)數(shù)器的功能在邏輯上是等同的，也就是說(shuō)是用來(lái)指示 執(zhí)行哪條指令的。

　　由于在JVM中，多線程是通過(guò)線程輪流切換來(lái)獲得CPU執(zhí)行時(shí)間的，因此，在任一具體時(shí)刻，一個(gè)CPU的內(nèi)核只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令，因此，為了能夠使得每個(gè)線程都在線程切換后能夠恢復(fù)在切換之前的程序執(zhí)行位置，每個(gè)線程都需要有自己獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，并且不能互相被干擾，否則就會(huì)影響到程序的正常執(zhí)行次序。因此，可以這么說(shuō)，程序計(jì)數(shù)器是每個(gè)線程所私有的。

　　在JVM規(guī)范中規(guī)定，如果線程執(zhí)行的是非native方法，則程序計(jì)數(shù)器中保存的是當(dāng)前需要執(zhí)行的指令的地址；如果線程執(zhí)行的是native方法，則程序計(jì)數(shù)器中的值是undefined。

　　由于程序計(jì)數(shù)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)所占空間的大小不會(huì)隨程序的執(zhí)行而發(fā)生改變，因此，對(duì)于程序計(jì)數(shù)器是不會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出現(xiàn)象(OutOfMemory)的。

2.Java棧

　　Java棧也稱作虛擬機(jī)棧（Java Vitual Machine Stack），也就是我們常常所說(shuō)的棧，跟C語(yǔ)言的數(shù)據(jù)段中的棧類(lèi)似。事實(shí)上，Java棧是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。為什么這么說(shuō)呢？下面就來(lái)解釋一下其中的原因。

　　Java棧中存放的是一個(gè)個(gè)的棧幀，每個(gè)棧幀對(duì)應(yīng)一個(gè)被調(diào)用的方法，在棧幀中包括局部變量表(Local Variables)、操作數(shù)棧(Operand Stack)、指向當(dāng)前方法所屬的類(lèi)的運(yùn)行時(shí)常量池（運(yùn)行時(shí)常量池的概念在方法區(qū)部分會(huì)談到）的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(Return Address)和一些額外的附加信息。當(dāng)線程執(zhí)行一個(gè)方法時(shí)，就會(huì)隨之創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的棧幀，并將建立的棧幀壓棧。當(dāng)方法執(zhí)行完畢之后，便會(huì)將棧幀出棧。因此可知，線程當(dāng)前執(zhí)行的方法所對(duì)應(yīng)的棧幀必定位于Java棧的頂部。講到這里，大家就應(yīng)該會(huì)明白為什么 在 使用 遞歸方法的時(shí)候容易導(dǎo)致棧內(nèi)存溢出的現(xiàn)象了以及為什么棧區(qū)的空間不用程序員去管理了（當(dāng)然在Java中，程序員基本不用關(guān)系到內(nèi)存分配和釋放的事情，因?yàn)镴ava有自己的垃圾回收機(jī)制），這部分空間的分配和釋放都是由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)施的。對(duì)于所有的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，棧這部分空間對(duì)程序員來(lái)說(shuō)是不透明的。下圖表示了一個(gè)Java棧的模型：

　　局部變量表，顧名思義，想必不用解釋大家應(yīng)該明白它的作用了吧。就是用來(lái)存儲(chǔ)方法中的局部變量（包括在方法中聲明的非靜態(tài)變量以及函數(shù)形參）。對(duì)于基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的變量，則直接存儲(chǔ)它的值，對(duì)于引用類(lèi)型的變量，則存的是指向?qū)ο蟮囊谩＞植孔兞勘淼拇笮≡诰幾g器就可以確定其大小了，因此在程序執(zhí)行期間局部變量表的大小是不會(huì)改變的。

　　操作數(shù)棧，想必學(xué)過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧的朋友想必對(duì)表達(dá)式求值問(wèn)題不會(huì)陌生，棧最典型的一個(gè)應(yīng)用就是用來(lái)對(duì)表達(dá)式求值。想想一個(gè)線程執(zhí)行方法的過(guò)程中，實(shí)際上就是不斷執(zhí)行語(yǔ)句的過(guò)程，而歸根到底就是進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程。因此可以這么說(shuō)，程序中的所有計(jì)算過(guò)程都是在借助于操作數(shù)棧來(lái)完成的。

　　指向運(yùn)行時(shí)常量池的引用，因?yàn)樵诜椒▓?zhí)行的過(guò)程中有可能需要用到類(lèi)中的常量，所以必須要有一個(gè)引用指向運(yùn)行時(shí)常量。

　　方法返回地址，當(dāng)一個(gè)方法執(zhí)行完畢之后，要返回之前調(diào)用它的地方，因此在棧幀中必須保存一個(gè)方法返回地址。

　　由于每個(gè)線程正在執(zhí)行的方法可能不同，因此每個(gè)線程都會(huì)有一個(gè)自己的Java棧，互不干擾。

3.本地方法棧

　　本地方法棧與Java棧的作用和原理非常相似。區(qū)別只不過(guò)是Java棧是為執(zhí)行Java方法服務(wù)的，而本地方法棧則是為執(zhí)行本地方法（Native Method）服務(wù)的。在JVM規(guī)范中，并沒(méi)有對(duì)本地方發(fā)展的具體實(shí)現(xiàn)方法以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作強(qiáng)制規(guī)定，虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它。在HotSopt虛擬機(jī)中直接就把本地方法棧和Java棧合二為一。

4.堆

　　在C語(yǔ)言中，堆這部分空間是唯一一個(gè)程序員可以管理的內(nèi)存區(qū)域。程序員可以通過(guò)malloc函數(shù)和free函數(shù)在堆上申請(qǐng)和釋放空間。那么在Java中是怎么樣的呢？

　　Java中的堆是用來(lái)存儲(chǔ)對(duì)象本身的以及數(shù)組（當(dāng)然，數(shù)組引用是存放在Java棧中的）。只不過(guò)和C語(yǔ)言中的不同，在Java中，程序員基本不用去關(guān)心空間釋放的問(wèn)題，Java的垃圾回收機(jī)制會(huì)自動(dòng)進(jìn)行處理。因此這部分空間也是Java垃圾收集器管理的主要區(qū)域。另外，堆是被所有線程共享的，在JVM中只有一個(gè)堆。

5.方法區(qū)

　　方法區(qū)在JVM中也是一個(gè)非常重要的區(qū)域，它與堆一樣，是被線程共享的區(qū)域。在方法區(qū)中，存儲(chǔ)了每個(gè)類(lèi)的信息（包括類(lèi)的名稱、方法信息、字段信息）、靜態(tài)變量、常量以及編譯器編譯后的代碼等。

　　在Class文件中除了類(lèi)的字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池，用來(lái)存儲(chǔ)編譯期間生成的字面量和符號(hào)引用。

　　在方法區(qū)中有一個(gè)非常重要的部分就是運(yùn)行時(shí)常量池，它是每一個(gè)類(lèi)或接口的常量池的運(yùn)行時(shí)表示形式，在類(lèi)和接口被加載到JVM后，對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)常量池就被創(chuàng)建出來(lái)。當(dāng)然并非Class文件常量池中的內(nèi)容才能進(jìn)入運(yùn)行時(shí)常量池，在運(yùn)行期間也可將新的常量放入運(yùn)行時(shí)常量池中，比如String的intern方法。

　　在JVM規(guī)范中，沒(méi)有強(qiáng)制要求方法區(qū)必須實(shí)現(xiàn)垃圾回收。很多人習(xí)慣將方法區(qū)稱為“永久代”，是因?yàn)镠otSpot虛擬機(jī)以永久代來(lái)實(shí)現(xiàn)方法區(qū)，從而JVM的垃圾收集器可以像管理堆區(qū)一樣管理這部分區(qū)域，從而不需要專門(mén)為這部分設(shè)計(jì)垃圾回收機(jī)制。不過(guò)自從JDK7之后，Hotspot虛擬機(jī)便將運(yùn)行時(shí)常量池從永久代移除了。

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