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數(shù)據(jù)庫系列吭哧吭哧寫得差不多了，準(zhǔn)備寒假看完 JVM，然后開學(xué)來看看框架背背八股就準(zhǔn)備秋招了。話不多說，JVM 第一個知識點必定要奉獻給 Java 程序運行時的數(shù)據(jù)區(qū)域劃分。

老規(guī)矩，背誦版在文末。點擊閱讀原文可以直達我收錄整理的各大廠面試真題

JVM 運行時數(shù)據(jù)區(qū)域總覽

JVM 在執(zhí)行 Java 程序的過程中(簡稱運行時)會把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。這些區(qū)域有各自的用途，以及創(chuàng)建和銷毀的時間，有的區(qū)域隨著虛擬機進程的啟動而一直存在，有些區(qū)域則是依賴用戶線程的啟動和結(jié)束而建立和銷毀。

根據(jù)《Java 虛擬機規(guī)范》的規(guī)定，Java 虛擬機所管理的內(nèi)存將會包括以下幾個運行時數(shù)據(jù)區(qū)域，如下圖所示：

從圖中可以看到，線程共享的區(qū)域是方法區(qū)和堆，線程隔離(線程私有)的區(qū)域是虛擬機棧、本地方法棧和程序計數(shù)器。

簡單解釋下線程共享和線程私有是啥意思：

• 所謂線程私有，通俗來說就是每個線程都會創(chuàng)建一個屬于自己的空間，每個線程之間的這塊私有空間互不影響，獨立存儲。比如程序計數(shù)器就是線程私有的，每個線程都會擁有一個屬于自己的程序計數(shù)器，互不干涉。
• 線程共享就沒啥好說的，簡單理解為公共場所，誰都能去，存儲的數(shù)據(jù)所有線程都能訪問。

下面我們來分別解釋下這幾個數(shù)據(jù)區(qū)域 ??

線程私有：程序計數(shù)器 Program Counter Register

程序計數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。

由于 Java 虛擬機的多線程是通過線程輪流切換、分配處理器執(zhí)行時間的方式來實現(xiàn)的，在任何一個確定的時刻，一個處理器(對于多核處理器來說是一個內(nèi)核)都只會執(zhí)行一條線程中的指令。

因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數(shù)器，各個線程之間的計數(shù)器互不影響。

那么程序計數(shù)器里存的到底是什么東西呢?

• 如果線程正在執(zhí)行的是一個 Java 方法，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址
• 如果正在執(zhí)行的是本地(Native)方法，這個計數(shù)器值則應(yīng)為空(Undefined)。至于什么是 Native 方法，在本地方法棧那一小節(jié)會詳細解釋

注意!此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在《Java虛擬機規(guī)范》中沒有規(guī)定任何 OutOfMemoryError(內(nèi)存溢出)情況的區(qū)域。這個問題也算是一個比較常見的面試題了

線程私有：虛擬機棧 Java Virtual Machine Stack

虛擬機棧其實是由一個一個的 棧幀(Stack Frame) 組成的，一個棧幀描述的就是一個 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。也就是說每個方法在執(zhí)行的同時都會同步創(chuàng)建一個棧幀，用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法的返回地址等信息。

每一個方法被調(diào)用直至執(zhí)行完畢的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

其中，局部變量表存放了以下三種類型的數(shù)據(jù)：

• 編譯期可知的各種 Java 虛擬機的基本數(shù)據(jù)類型：boolean、byte、char、short、int、float、long、double
• 對象引用，reference 類型：它并不等同于對象本身，可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?，也可能是指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關(guān)的位置。(關(guān)于 reference 類型，具體涉及到對象的訪問定位的兩種方式，使用句柄訪問和使用直接指針訪問，這個在后續(xù)文章中會詳細介紹)
• returnAddress 類型：指向了一條字節(jié)碼指令的地址

這些數(shù)據(jù)類型在局部變量表中的存儲空間以 局部變量槽 (Slot) 來表示，或者說局部變量表的基本存儲單元是 Slot，JVM 為每一個 Slot 都分配了一個訪問索引，通過這個索引就可以成功訪問到局部變量表中存儲的某個值。

其中，64 位長度的 long 和 double 類型的數(shù)據(jù)會占用兩個 Slot，其余的數(shù)據(jù)類型都是 32 位只占用一個。

在《Java虛擬機規(guī)范》中，對虛擬機棧這個內(nèi)存區(qū)域規(guī)定了兩類異常狀況：

• 如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出 StackOverflowError 異常(棧溢出)
• 如果使用的 JVM 支持動態(tài)擴展虛擬機棧容量的話，當(dāng)棧擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存就會拋出 OutOfMemoryError 異常(內(nèi)存溢出)

線程私有：本地方法棧 Native Method Stacks

本地方法棧和上面我們所說的虛擬機棧作用基本一樣，區(qū)別只不過是本地方法棧為虛擬機使用到的 Native 方法服務(wù)，而虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行 Java 方法(也就是字節(jié)碼)服務(wù)。

這里解釋一下 Native 方法的概念，其實不僅 Java，很多語言中都有這個概念。

"A native method is a Java method whose implementation is provided by non-java code."

就是說一個 Native 方法其實就是一個接口，但是它的具體實現(xiàn)是在外部由非 Java 語言比如 C 或 C++ 等來寫的。Java 通過 JNI 來調(diào)用本地方法， 而本地方法是以庫文件的形式存放的(在 WINDOWS 平臺上是 DLL 文件形式，在 UNIX 機器上是 SO 文件形式)。

所以同一個 Native 方法，如果用不同的虛擬機去調(diào)用它，那么得到的結(jié)果和運行效率可能是不一樣的，因為不同的虛擬機對于某個 Native 方法都有自己的實現(xiàn)，比如 Object 類的 hashCode 方法。

那么為什么需要 Native 方法呢?

其主要原因就是 Java 雖然使用起來很方便，但是有些層次的任務(wù)用 Java 實現(xiàn)起來不容易，或者對程序的效率有比較高的要求時，Java 語言可能并不是最好的選擇。所以 Native 方法使得 Java 程序能夠超越 Java 運行時的界限，有效地擴充了 JVM。

與虛擬機棧一樣，本地方法棧也會在棧深度溢出或者棧擴展失敗時分別拋出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常

線程共享：堆 Heap

Java 堆是虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊。堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實例，“幾乎” 所有的對象實例都在這里分配內(nèi)存。

注意!這里我們用的是幾乎，技術(shù)發(fā)展至今，其實并非所有的對象實例都會分配到堆上，比如逃逸技術(shù)，這個我們后續(xù)文章我再做解釋~

堆是垃圾收集器管理的內(nèi)存區(qū)域，因此一些資料中它也被稱作 “GC 堆”(Garbage Collected Heap)。

對于堆這個概念小伙伴們肯定還聽說過各種諸如新生代、老年代、永久代、Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等名詞，需要注意的是，這些區(qū)域劃分僅僅是一部分垃圾收集器的共同特性或者說設(shè)計風(fēng)格而已，只是為了通過這種分代設(shè)計來更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存，而非某個 Java 虛擬機具體實現(xiàn)的固有內(nèi)存布局，更不是《Java虛擬機規(guī)范》里對 Java 堆的進一步細致劃分

根據(jù)《Java虛擬機規(guī)范》的規(guī)定，Java 堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，但在邏輯上它應(yīng)該被視為連續(xù)的，這點就像我們用磁盤空間去存儲文件一樣，并不要求每個文件都連續(xù)存放。但對于大對象(典型的如數(shù)組對象)，多數(shù)虛擬機實現(xiàn)出于實現(xiàn)簡單、存儲高效的考慮，很可能會要求連續(xù)的內(nèi)存空間。

Java 堆既可以被實現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴展的，當(dāng)前主流的 Java 虛擬機都是按照可擴展來實現(xiàn)的(通過參數(shù) -Xmx 和 -Xms 設(shè)定)

如果在堆中沒有內(nèi)存來完成對象實例的分配，并且堆也無法再擴展時，JVM 就會拋出 OutOfMemoryError 異常

線程共享：方法區(qū) Method Area

方法區(qū)通俗點理解就是，在虛擬機完成類加載之后，存儲這個類相關(guān)的類型信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼緩存等數(shù)據(jù)。

It stores per-class structures such as the run-time constant pool, field and method data, and the code for methods and constructors, including the special methods used in class and instance initialization and interface initialization. 它存儲每個類的結(jié)構(gòu)，如運行時的常量池、字段和方法數(shù)據(jù)，以及方法和構(gòu)造函數(shù)的代碼，包括類和實例初始化和接口初始化中使用的特殊方法

舉個簡單的小例子：

方法區(qū)其實本身很好理解，但是《Java 虛擬機規(guī)范》/ 《深入理解 Java 虛擬機》提到的一句話：方法區(qū)是堆的一個邏輯部分，真的是讓我困惑了很長時間。

下面我來結(jié)合我的理解給大家解釋下，我覺得這個 “方法區(qū)是堆的一個邏輯部分” 應(yīng)該適用于 JDK 8 以前，而不適用 JDK 8

先來看 JDK 8 之前:

可以看到，JDK 8 之前，堆和方法區(qū)其實是連在一起的，或者說，方法區(qū)就是堆的一部分。

但是呢，方法區(qū)存儲的東西又有些特別，在過去自定義類加載器使用不普遍的時候，類幾乎是 “靜態(tài)的” 并且很少被卸載和回收，因此類也可以被看成 “永久的”(這也就是永久代的含義)，另外由于類作為 JVM 實現(xiàn)的一部分，它們不由程序來創(chuàng)建，所以為了和堆區(qū)分開來呢，就給了 “方法區(qū)” 這樣一個名字用來存儲類的信息，也有人把方法區(qū)稱為 “非堆”。

需要注意的是，無論是方法區(qū)還是非堆，其實都只是一個邏輯上的概念，在 JDK 8 之前，其具體的實現(xiàn)方法是永久代。

永久代是 HotSpot 虛擬機給出的實現(xiàn)，但是對于其他虛擬機實現(xiàn)，譬如 BEA JRockit、IBM J9 等來說，是不存在永久代的概念的。

永久代是一段連續(xù)的內(nèi)存空間，我們在 JVM 啟動之前可以通過設(shè)置 -XX:MaxPermSize 的值來控制永久代的大小，32 位機器默認的永久代的大小為 64M，64 位的機器則為 85M。

永久代的垃圾回收和老年代的垃圾回收是綁定的，一旦其中一個區(qū)域被占滿，這兩個區(qū)都要進行垃圾回收。

顯然這種設(shè)計并不是一個好的主意，由于我們可以通過 ?XX:MaxPermSize 設(shè)置永久代的大小，一旦類的元數(shù)據(jù)超過了設(shè)定的大小，程序就會耗盡內(nèi)存，并出現(xiàn)內(nèi)存溢出錯誤 (java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space)。

而且有極少數(shù)的方法(例如適用 String的 intern()方法可以在運行過程中手動的將字符串添加到 字符串常量池中，在 JDK1.7 之前的 HotSpot 虛擬機中，字符串常量池被存儲在永久代中)會因永久代的原因而導(dǎo)致不同虛擬機下有不同的表現(xiàn)

所以我們總結(jié)下 HotSpots 在 JDK 8 拋棄永久代，轉(zhuǎn)而用元空間來實現(xiàn)方法區(qū)的兩大原因：

• 由于永久代的垃圾回收和老年代的垃圾回收是綁定的，一旦其中一個區(qū)域被占滿，這兩個區(qū)都要進行垃圾回收，增大了 OOM 發(fā)生的概率
• 有少數(shù)的方法例如 String 的 intern() 方法會因永久代的原因而導(dǎo)致不同虛擬機下有不同的表現(xiàn)，不利于代碼遷移

那么元空間到底是個啥，和方法區(qū)有啥區(qū)別?

元空間與永久代之間最大的區(qū)別在于：元空間不再與堆連續(xù)，并且是存在于本地內(nèi)存(Native memory)中的。

運行時數(shù)據(jù)區(qū)域的對比如下圖：

元空間存在于本地內(nèi)存，意味著只要本地內(nèi)存足夠，它就不會 OOM，不會出現(xiàn)像永久代中的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGenspace

運行時常量池 Runtime Constant Pool

運行時常量池是方法區(qū)的一部分。上面我們說過方法區(qū)包含類信息，而描述類信息的 Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池表 (Constant Pool Table)，用于存放編譯期生成的各種字面量(字面量相當(dāng)于 Java 語言層面常量的概念，如文本字符串，聲明為 final 的常量值等)與符號引用。有一些文章會把 class 常量池表稱為靜態(tài)常量池。

都是常量池，常量池表和運行時常量池有啥關(guān)系嗎?運行時常量池是干嘛的呢?

運行時常量池可以在運行期間將 class 常量池表中的符號引用解析為直接引用。簡單來說，class 常量池表就相當(dāng)于一堆索引，運行時常量池根據(jù)這些索引來查找對應(yīng)方法或字段所屬的類型信息和名稱及描述符信息

為什么需要常量池這個東西呢?主要是為了避免頻繁的創(chuàng)建和銷毀對象而影響系統(tǒng)性能，其實現(xiàn)了對象的共享。以字符串常量池為例，字符串 String 既然作為 Java 中的一個類，那么它和其他的對象分配一樣，需要耗費高昂的時間與空間代價，作為最基礎(chǔ)最常用的數(shù)據(jù)類型，大量頻繁的創(chuàng)建字符串，將會極大程度的影響程序的性能。為此，JVM 為了提高性能和減少內(nèi)存開銷，在實例化字符串常量的時候進行了一些優(yōu)化：

• 為字符串開辟了一個字符串常量池 String Pool，可以理解為緩存區(qū)
• 創(chuàng)建字符串常量時，首先檢查字符串常量池中是否存在該字符串
• 若字符串常量池中存在該字符串，則直接返回該引用實例，無需重新實例化;若不存在，則實例化該字符串并放入池中。

需要注意的是，字符串常量池的位置在 JDK 1.7 前后有所變化，可以參考下面這張表：

最后放上這道題的背誦版：

 面試官：講一下 JVM 運行時數(shù)據(jù)區(qū)域

小牛肉：JVM 在執(zhí)行 Java 程序的過程中會把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。線程共享的區(qū)域是方法區(qū)和堆，線程私有的區(qū)域是虛擬機棧、本地方法棧和程序計數(shù)器。

所謂線程私有就是每個線程都會創(chuàng)建一個屬于自己的空間，每個線程之間的這塊私有空間互不影響，獨立存儲。

先來說線程私有的三個區(qū)域：

程序計數(shù)器：程序計數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。

這個內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在《Java 虛擬機規(guī)范》中沒有規(guī)定任何 OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。

虛擬機棧：虛擬機棧其實是由一個一個的棧幀(Stack Frame)組成的，一個棧幀描述的就是一個 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。也就是說每個方法在執(zhí)行的同時都會同步創(chuàng)建一個棧幀，用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法的返回地址等信息。每一個方法被調(diào)用直至執(zhí)行完畢的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

虛擬機棧這個內(nèi)存區(qū)域有兩種異常狀況：

• 如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出 StackOverflowError 異常(棧溢出)
• 如果使用的 JVM 支持動態(tài)擴展虛擬機棧容量的話，當(dāng)棧擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存就會拋出 OutOfMemoryError 異常(內(nèi)存溢出)

本地方法棧：本地方法棧和虛擬機棧作用基本一樣，區(qū)別只不過是本地方法棧為虛擬機使用到的 Native 方法服務(wù)，而虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行 Java 方法(也就是字節(jié)碼)服務(wù)

本地方法棧也會在棧深度溢出或者棧擴展失敗時分別拋出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常

再來說線程共享的兩個區(qū)域：

堆：Java 堆是虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊。堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實例，“幾乎” 所有 new 出來的對象實例都在這里分配內(nèi)存。

Java 堆既可以被實現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴展的，如果在堆中沒有內(nèi)存來完成對象實例的分配，并且堆也無法再擴展時，JVM 就會拋出 OutOfMemoryError 異常

方法區(qū)：方法區(qū)就是在虛擬機完成類加載之后，存儲這個類相關(guān)的類型信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼緩存等數(shù)據(jù)。

在 JDK 8 之前，堆和方法區(qū)其實是連在一起的，或者說方法區(qū)其實就是堆的一部分，HotSpot 虛擬機給出的具體實現(xiàn)是永久代，永久代是一個連續(xù)的內(nèi)存空間，由于永久代的垃圾回收和老年代的垃圾回收是綁定的，一旦其中一個區(qū)域被占滿，這兩個區(qū)都要進行垃圾回收，增大了 OOM 發(fā)生的概率，另外，有少數(shù)的方法例如 String 的 intern() 方法會因永久代的原因而導(dǎo)致不同虛擬機下有不同的表現(xiàn)，不利于代碼遷移。這兩個原因呢，促使 HotSpots 在 JDK 8 之后將方法區(qū)的實現(xiàn)更換成了元空間。

元空間與永久代之間最大的區(qū)別在于：元空間不再與堆連續(xù)，并且是存在于本地內(nèi)存(Native memory)中的，這意味著只要本地內(nèi)存足夠，它就不會發(fā)生 OOM