JVM 每个区域分别存储什么数据?

JVM(Java Virtual Machine)的运行时数据区(Runtime Data Areas)被划分为几个不同的区域,每个区域都有其特定的用途和存储的数据类型。以下是 JVM 各个区域存储数据的详细说明:

1. 程序计数器 (Program Counter Register)

  • 存储内容:

    • 当前线程正在执行的 Java 方法的 字节码指令的地址(行号)。
    • 如果当前线程正在执行的是 Native 方法,程序计数器的值为 undefined (空)。
  • 特点:

    • 线程私有:每个线程都有自己独立的程序计数器。
    • 非常小:占用内存空间非常小。
    • 唯一: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。
  • 作用:

    • 控制程序的执行流程:JVM 通过程序计数器来控制程序的执行顺序,实现分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能。
    • 线程切换:Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间来实现的。在任何一个确定的时刻,一个处理器(或一个内核)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。

2. 虚拟机栈 (VM Stack)

  • 存储内容:

    • 栈帧 (Stack Frame): 每个方法调用都会创建一个栈帧,用于存储方法的局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法执行完毕后,栈帧会被销毁(出栈)。
      • 局部变量表 (Local Variable Table):
        • 存放方法参数和方法内部定义的局部变量。
        • 基本数据类型变量:直接存储值。
        • 引用类型变量:存储对象的引用(地址)。
        • 局部变量表的大小在编译时确定。
      • 操作数栈 (Operand Stack):
        • 一个后入先出 (LIFO) 栈,用于存放方法执行过程中的操作数和中间结果。
        • 例如,执行加法操作时,会将两个操作数压入操作数栈,然后弹出两个操作数进行计算,并将结果压入操作数栈。
      • 动态链接 (Dynamic Linking):
        • 指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。
        • 用于支持方法调用过程中的动态链接(例如,解析方法调用、接口调用等)。
      • 方法出口 (Return Address):
        • 记录方法返回时应该跳转到的指令地址。
        • 正常返回:返回到调用者的指令地址。
        • 异常返回:返回到异常处理器的指令地址。
      • 附加信息: 可能包含一些附加信息, 例如调试信息等.
  • 特点:

    • 线程私有:每个线程都有自己的虚拟机栈。
    • 后入先出 (LIFO):栈帧的创建和销毁遵循后入先出的原则。
    • 速度快:访问速度仅次于程序计数器。
    • 大小:栈的大小可以是固定的,也可以是动态扩展的。
  • 异常:

    • StackOverflowError: 如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度,抛出此异常(例如,无限递归调用)。
    • OutOfMemoryError: 如果虚拟机栈可以动态扩展,但无法申请到足够的内存,抛出此异常。

3. 本地方法栈 (Native Method Stack)

  • 存储内容:
    • 与虚拟机栈类似,但用于支持 native 方法(使用 C、C++ 等编写的方法)的执行。
    • 存储 native 方法的局部变量、参数、返回值等信息。
  • 特点:
    • 线程私有:每个线程都有自己的本地方法栈。
    • 具体的实现方式由虚拟机决定(HotSpot VM 中,本地方法栈和虚拟机栈是合二为一的)。
  • 异常:
    • StackOverflowError
    • OutOfMemoryError

4. 堆 (Heap)

  • 存储内容:

    • 对象实例: 几乎所有的对象实例都在堆上分配内存。
    • 数组: 数组也在堆上分配内存。
  • 特点:

    • 线程共享:所有线程共享同一个堆。
    • 最大:是 JVM 中最大的一块内存区域。
    • 垃圾回收:是垃圾回收的主要区域。
    • 逻辑连续:逻辑上是连续的,物理上可以不连续。
    • 划分:通常划分为新生代(Young Generation)和老年代(Old Generation)。
      • 新生代:存放新创建的对象。
        • Eden 区:大多数对象首先在 Eden 区分配。
        • Survivor 区 (From Survivor 和 To Survivor):存放经过一次 Minor GC 后仍然存活的对象。
      • 老年代:存放生命周期较长的对象,或大对象。
  • 异常:

    • OutOfMemoryError: 如果堆中没有足够的内存分配给新的对象,并且堆也无法再扩展时,抛出此异常。

5. 方法区 (Method Area)

  • 存储内容:

    • 类信息:
      • 类的全限定名
      • 类的父类
      • 类的接口
      • 类的修饰符
      • 类的字段信息
      • 类的方法信息
      • 类的注解信息
    • 常量:
      • 编译时常量(例如,final 修饰的基本类型或字符串字面量)。
      • 运行时常量(例如,String.intern() 方法返回的字符串)。
    • 静态变量:
      • 类变量(static 修饰的变量)。
    • 即时编译器编译后的代码 (JIT Compiled Code):
      • 热点代码(经常执行的代码)会被 JIT 编译器编译为本地机器码,并缓存在方法区中。
  • 特点:

    • 线程共享:所有线程共享同一个方法区。
    • 非堆 (Non-Heap): 在 HotSpot VM 中,方法区也被称为"非堆"。
    • 永久代/元空间:
      • JDK 1.7 及之前: HotSpot VM 使用"永久代"(Permanent Generation)来实现方法区。永久代使用 JVM 内存。容易出现 OutOfMemoryError: PermGen space
      • JDK 1.8 及之后: HotSpot VM 使用"元空间"(Metaspace)来实现方法区。元空间使用本地内存(Native Memory),不容易出现 OutOfMemoryError,但需要注意防止本地内存耗尽。
    • 运行时常量池 (Runtime Constant Pool): 方法区的一部分,存放编译期生成的各种字面量和符号引用,以及运行时产生的常量。
    • 垃圾回收: 方法区也会进行垃圾回收,主要回收废弃的常量和无用的类。
  • 异常:

    • OutOfMemoryError: 如果方法区无法满足内存分配需求,抛出此异常。
    • JDK 1.7 及之前,如果永久代空间不足,会抛出 OutOfMemoryError: PermGen space
    • JDK 1.8 及之后,如果元空间不足,会抛出 OutOfMemoryError: Metaspace

总结:

区域 存储内容 线程共享性
程序计数器 当前线程正在执行的字节码指令的地址(行号)。如果是 Native 方法,则值为空 (Undefined)。 私有
虚拟机栈 每个方法调用对应一个栈帧。栈帧中存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。局部变量表存放方法参数和局部变量。操作数栈用于存放方法执行过程中的操作数和中间结果。 私有
本地方法栈 与虚拟机栈类似,但用于支持 native 方法的执行。 私有
对象实例、数组。 共享
方法区 类信息(类名、父类、接口、字段、方法、注解等)、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。运行时常量池是方法区的一部分,存放编译期生成的各种字面量和符号引用,以及运行时产生的常量。 共享
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