深入瞭解 Java 之虛擬機器記憶體

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來源：feifei ，

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在討論JVM記憶體區域分析之前，先來看一下Java程式具體執行的過程：

Java 程式的執行過程：Java 原始碼檔案（.Java檔案）-> Java Compiler（Java編譯器）->Java 位元組碼檔案（.class檔案）->類載入器（Class Loader）->Runtime Data Area（執行時資料）-> Execution Engine（執行引擎）。 我們今天就來分析一下Java程式執行過程的 Runtime Data Area（執行時資料） 這一塊

那麼執行時資料區包括哪幾部分呢？

• 程式計數器（Program Counter Register）

• Java虛擬機器棧（VM Stack）

• 本地方法棧（Native Method Stack）

• 方法區（method area）

• 堆（heap）

一、程式計數器

用來指示程式執行哪一條指令，這跟組合語言的程式計數器的功能在邏輯上是一樣的。JVM規範中規定，如果執行緒執行的是非native方法，則程式計數器中儲存的是當前需要執行的指令地址，如果執行緒執行的是native方法，則程式計數器中的值undefined。每個執行緒都有自己獨立的程式計數器。為什麼呢？因為多執行緒下，一個CPU核心只會執行一條執行緒中的指令，因此為了使每個執行緒在執行緒切換之後能夠恢復到切換之前的程式執行的位置，所以每個執行緒都有自己獨立的程式計數器。

二、Java虛擬機器棧

Java虛擬機器棧中存放的是一個個棧幀，當程式執行一個方法時，就會建立一個棧幀並壓入棧中，當方法執行完畢之後，便會將棧幀移除棧。我們所說的“棧”是指Java虛擬機器棧，一個棧幀中包括：區域性變數表、運算元棧、動態連線、方法傳回地址、附加資訊

區域性變數表

主要是儲存方法中的區域性變數，包括方法中區域性變數的資訊和方法的引數。如：各種基本資料型別（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、物件取用（reference型別，它不等同於物件本身，可能是一個指向物件起始地址的取用指標，也可能是指向一個代表物件的控制代碼或其他與此物件相關的位置）和returnAddress型別（指向了一條位元組碼指令的地址），其中64位長度的long和double型別的資料會佔用2個區域性變數空間（Slot），其餘的資料型別只佔用1個。區域性變數表的大小在編譯器就可以確定其大小了，因此在程式執行期間區域性變數表的大小是不會改變的。在Java虛擬機器規範中，對這個區域規定了兩種異常狀況：如果執行緒請求的棧深度大於虛擬機器所允許的深度，將丟擲StackOverflowError異常；如果虛擬機器棧可以動態擴充套件（當前大部分的Java虛擬機器都可動態擴充套件，只不過Java虛擬機器規範中也允許固定長度的虛擬機器棧），如果擴充套件時無法申請到足夠的記憶體，就會丟擲OutOfMemoryError異常。

運算元棧

虛擬機器把運算元棧作為它的工作區，程式中的所有計算過程都是在藉助於運算元棧來完成的，大多數指令都要從這裡彈出資料，執行運算，然後把結果壓回運算元棧。

動態連線

每個棧幀都包含一個指向執行時常量池中該棧幀所屬方法的取用（指向執行時常量池：在方法執行的過程中有可能需要用到類中的常量），持有這個取用是為了支援方法呼叫過程中的動態連線

方法傳回地址

當一個方法執行完畢之後，要傳回之前呼叫它的地方，因此在棧幀中必須儲存一個方法傳回地址。

附加資訊

虛擬機器規範允許具體的虛擬機器實現增加一些規範裡沒有描述的資訊到棧幀中，例如與高度相關的資訊，這部分資訊完全取決於具體的虛擬機器實現。在實際開發中，一般會把動態連線，方法傳回地址與其它附加資訊全部歸為一類，稱為棧幀資訊。

三、本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機器棧所發揮的作用是非常相似的，它們之間的區別不過是虛擬機器棧為虛擬機器執行Java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法棧則為虛擬機器使用到的Native方法服務。與虛擬機器棧一樣，本地方法棧區域也會丟擲StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

四、堆（heap）

在C語言中，程式員可以透過malloc函式和free函式在堆上申請和釋放空間。那麼在Java中是怎麼樣的呢？Java中的堆是用來儲存物件本身的以及陣列（當然，陣列取用是存放在Java棧中的），幾乎所有的物件實體都在這裡分配記憶體。在Java中，程式員基本不用去關心空間釋放的問題，Java的垃圾回收機制會自動進行處理。另外，堆是被所有執行緒共享的，在JVM中只有一個堆。

五、方法區

方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個執行緒共享的記憶體區域，它用於儲存已被虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態變數、以及編譯器編譯後的程式碼等。執行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊是常量池（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號取用，這部分內容將在類載入後進入方法區的執行時常量池中存放。在JVM規範中，沒有強制要求方法區必須實現垃圾回收。很多人習慣將方法區稱為“永久代”，是因為HotSpot虛擬機器以永久代來實現方法區，從而JVM的垃圾收集器可以像管理堆區一樣管理這部分割槽域，從而不需要專門為這部分設計垃圾回收機制。不過自從JDK7之後，Hotspot虛擬機器便將執行時常量池從永久代移除了。

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