JVM體系結(jié)構(gòu)和運行時數(shù)據(jù)區(qū)概述

要理解JVM的運行時數(shù)據(jù)區(qū)， 必須先要理解JVM的體系結(jié)構(gòu)， 因為虛擬機(jī)的體系結(jié)構(gòu)基本上解釋了“為什么會有這些運行時數(shù)據(jù)區(qū)” 。 JVM的體系結(jié)構(gòu)如下：

由此可見， 運行時數(shù)據(jù)區(qū)的劃分， 是和JVM的體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的。 本文主要介紹運行時數(shù)據(jù)區(qū)的劃分， 對體系結(jié)構(gòu)不做深入的講解。 簡單概括一下， 類加載器子系統(tǒng)用于將class文件加載到虛擬機(jī)的運行時數(shù)據(jù)區(qū)中（準(zhǔn)確的說應(yīng)該是方法區(qū)） 。 可以認(rèn)為執(zhí)行引擎是字節(jié)碼的執(zhí)行機(jī)制， 一個線程可以看做是一個執(zhí)行引擎的實例。 下面介紹運行時數(shù)據(jù)區(qū)：

JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)

方法區(qū)

在字面意思上， “方法區(qū)”這個詞會讓人產(chǎn)生誤解。因為方法區(qū)存放的不只是方法， 它存放的是類型信息。我們在寫程序的時候， 幾乎總是在和類， 對象打交道， 我們知道根據(jù)一個類可以創(chuàng)建對象。 一般來說， 我們操縱的是對象， 訪問對象的屬性， 調(diào)用對象的方法等， 但是我們要思考這樣一個問題， 虛擬機(jī)根據(jù)什么信息知道如何創(chuàng)建對象的呢？ 當(dāng)然是根據(jù)這個對象的類型信息， 但是這個類型信息在哪里呢？現(xiàn)在我們知道是在方法區(qū)中。 那么類型信息是被誰加載到方法區(qū)中的呢？由上面的體系結(jié)構(gòu)圖， 我們可以知道是類加載器子系統(tǒng)？那么所謂的類型信息， 都包含什么信息呢？這些信息又是如何存放的呢？這里的類型信息， 可以籠統(tǒng)的認(rèn)為就是我們前面講解過的一個class文件，類加載器子系統(tǒng)將會提取class文件里面的類型信息，并將這些類型信息存放到方法區(qū)中。  至于方法區(qū)中如何存放一個類型數(shù)據(jù)， 是和JVM的具體實現(xiàn)相關(guān)的。 但是不管如何實現(xiàn)， 一個類的類型信息總是會包含如下信息：

類的全限定名

當(dāng)前類的直接父類的全限定名

這個類是接口類型， 類類型， 還是枚舉類型

類的訪問修飾符信息

當(dāng)前類型的超接口的全限定名

當(dāng)前類型的常量池

字段信息

方法信息

如果對class文件格式比較熟悉的話， 可以看出， 這些信息都是在class文件中描述過的。 由于我們無法看到類型信息具體是如何存儲的， 但是大致可以將類型信息看做一個class文件， 這有助于我們的理解。下面再次列出class文件結(jié)構(gòu)的表格，讀者可以對比class文件中的內(nèi)容到類型數(shù)據(jù)上， 該表中的各種數(shù)據(jù)已經(jīng)在前面的博客中詳細(xì)講解過：

 類型數(shù)據(jù)中，除了這些基本信息外， 類型信息還包括以下兩個方面：

一個到類的ClassLoader對象的引用

一個到表示該類的Class實例對象的引用

靜態(tài)變量存儲區(qū)

由于之前的博客中詳細(xì)介紹過class文件的格式， 對上面的一些基本信息我們可能比較熟悉， 但是對這兩種信息就比較陌生了。 其實說來也簡單，每個class都是被一個類加載器加載到方法區(qū)的， 類型信息中的到類的ClassLoader對象的引用， 表明了當(dāng)前的類是被哪個類加載器加載的， 這個信息同時也標(biāo)示了當(dāng)前的類型的名稱空間。

每當(dāng)一個class文件被成功的加載到方法區(qū)中， JVM總會創(chuàng)建一個Class對象， 來唯一標(biāo)示這個類。 這個Class對象可以看做是類加載過程的產(chǎn)物， 由于它描述了整個類型信息， 而Java中的反射也是針對的類型信息， 所以這個Class對象是反射的基石， 大多數(shù)反射API都是根據(jù)Class對象來實現(xiàn)的。 

而靜態(tài)變量也是存在于類型信息中， 可以這么說， 類型信息中， 會有專門的區(qū)域存放類的靜態(tài)變量。 與存在于對象中的實例變量不同， 靜態(tài)變量存在于類型數(shù)據(jù)中， 每個類型只有一份，所以也叫類變量。

方法區(qū)是一個相對來說比較固定的內(nèi)存區(qū)， 因為它存放的是類型信息， 而類型信息在被加載到方法區(qū)中之后， 除了必要的連接和初始化， 一般不會有較大改動，一般情況下， JVM也不會卸載類型信息， 所以方法區(qū)也可以稱為JVM的靜態(tài)區(qū)。 一個類型的生命周期一般就是整個程序的生命周期。 這也是為什么要慎用靜態(tài)變量的原因所在， 因為靜態(tài)變量隨類型信息存放在方法區(qū)中， 生命周期很長， 如果使用不當(dāng)， 很容易造成內(nèi)存泄露。 一個JVM實例中只存在一個方法區(qū)， 方法區(qū)中的所有類型數(shù)據(jù)被所有線程共享。

堆

方法區(qū)是存放類型數(shù)據(jù)的， 而堆則是存放運行時產(chǎn)生的對象的。 和C++不同的是， Java只能在堆中存放對象， 而不能在棧上分配對象， 所有運行時產(chǎn)生的對象全部都存放于堆中， 包括數(shù)組。 我們知道， 在Java中， 數(shù)組也是對象。一個JVM實例中只有一個堆， 所有線程共享堆中的數(shù)據(jù)（對象） 。

Java虛擬機(jī)支持幾種不同的創(chuàng)建對象的指令， 如new ， anewarray等。 這些指令執(zhí)行的結(jié)果就是在堆中分配內(nèi)存， 并創(chuàng)建對象。 但是Java虛擬機(jī)的指令集中并不包含任何釋放內(nèi)存的指令， 因而我們也就不能手動釋放內(nèi)存。 所有被創(chuàng)建的對象都會被一個叫做垃圾收集器（GC）的模塊自動回收， 垃圾收集器有不同的實現(xiàn)方式， 他們以 特定的方式判斷對象是否過期， 并以特定的方式對對象進(jìn)行回收， 關(guān)于垃圾收集的話題不是本文的重點， 這里就不多說了。 我們只要知道：所有創(chuàng)建的對象都存在堆中， 而垃圾收集器會自動回收過期的對象， 所以，JVM的堆區(qū)是垃圾收集器的“重點管理區(qū)” 。

Java棧

Java棧是一個線程的執(zhí)行區(qū)域， 它保存著一個線程中的方法的調(diào)用狀態(tài)， 也可以說， 一個Java線程的運行狀態(tài)， 都由一個Java棧來保存。 在這個棧中， 每一方法對應(yīng)一個棧幀， 請注意區(qū)分棧幀和棧這兩個概念。 棧指的是整個線程的執(zhí)行棧， 棧幀是棧中的一個單位， 每個方法對應(yīng)一個棧幀。 JVM會對Java棧執(zhí)行兩種操作： 壓棧和出棧。 這兩種操作在執(zhí)行時都是以幀（棧幀）為單位的。 當(dāng)調(diào)用了一個新的方法， 就會壓入一個棧幀， 當(dāng)一個方法調(diào)用完成， 就會彈出這個方法的棧幀， 回到調(diào)用者的棧幀。

舉例來說， 如果方法a調(diào)用了方法b， 而方法b中調(diào)用了方法c。 這個過程中的方法調(diào)用和返回的裝狀態(tài)是這樣的（其中圖中兩條虛線之間表示Java棧，每個方塊表示一個特定方法的棧幀）

Java棧上的所有數(shù)據(jù)都是線程私有的， 也就是說， 每個線程都會有自己的Java棧， 不會相互訪問其他Java棧中的數(shù)據(jù)。

PC寄存器

pc寄存器用于存放一條指令的地址， 這條指令就是虛擬機(jī)要執(zhí)行的下一條指令。pc寄存器和線程相關(guān)聯(lián)， 每一個線程都有一個PC寄存器。

本地方法棧

我們知道Java可以和C/C++互調(diào)。如果當(dāng)前線程執(zhí)行的代碼是C/C++寫的本地代碼， 那么這些方法就在本地方法棧中執(zhí)行，而不會在Java棧中執(zhí)行， Java棧中只執(zhí)行Java方法。