JVM體系結(jié)構(gòu)和運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)概述

要理解JVM的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)， 必須先要理解JVM的體系結(jié)構(gòu)， 因?yàn)樘摂M機(jī)的體系結(jié)構(gòu)基本上解釋了“為什么會(huì)有這些運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)” 。 JVM的體系結(jié)構(gòu)如下：

由此可見， 運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的劃分， 對(duì)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(yùn)行時(shí)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(gè)線程可以看做是一個(gè)執(zhí)行引擎的實(shí)例。 下面介紹運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)：

JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

方法區(qū)

在字面意思上， “方法區(qū)”這個(gè)詞會(huì)讓人產(chǎn)生誤解。因?yàn)榉椒▍^(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(shí)候， 幾乎總是在和類， 對(duì)象打交道， 我們知道根據(jù)一個(gè)類可以創(chuàng)建對(duì)象。 一般來說， 我們操縱的是對(duì)象， 訪問對(duì)象的屬性， 調(diào)用對(duì)象的方法等， 但是我們要思考這樣一個(gè)問題， 虛擬機(jī)根據(jù)什么信息知道如何創(chuàng)建對(duì)象的呢？ 當(dāng)然是根據(jù)這個(gè)對(duì)象的類型信息， 但是這個(gè)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(gè)class文件，類加載器子系統(tǒng)將會(huì)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(gè)類型數(shù)據(jù)， 是和JVM的具體實(shí)現(xiàn)相關(guān)的。 但是不管如何實(shí)現(xiàn)， 一個(gè)類的類型信息總是會(huì)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(gè)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(duì)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(chǔ)的， 但是大致可以將類型信息看做一個(gè)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(duì)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(gè)方面：

一個(gè)到類的ClassLoader對(duì)象的引用

一個(gè)到表示該類的Class實(shí)例對(duì)象的引用

靜態(tài)變量存儲(chǔ)區(qū)

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

每當(dāng)一個(gè)class文件被成功的加載到方法區(qū)中， JVM總會(huì)創(chuàng)建一個(gè)Class對(duì)象， 來唯一標(biāo)示這個(gè)類。 這個(gè)Class對(duì)象可以看做是類加載過程的產(chǎn)物， 由于它描述了整個(gè)類型信息， 而Java中的反射也是針對(duì)的類型信息， 所以這個(gè)Class對(duì)象是反射的基石， 大多數(shù)反射API都是根據(jù)Class對(duì)象來實(shí)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(huì)有專門的區(qū)域存放類的靜態(tài)變量。 與存在于對(duì)象中的實(shí)例變量不同， 靜態(tài)變量存在于類型數(shù)據(jù)中， 每個(gè)類型只有一份，所以也叫類變量。

方法區(qū)是一個(gè)相對(duì)來說比較固定的內(nèi)存區(qū)， 因?yàn)樗娣诺氖穷愋托畔ⅲ?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(huì)有較大改動(dòng)，一般情況下， JVM也不會(huì)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(gè)類型的生命周期一般就是整個(gè)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?yàn)殪o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(gè)JVM實(shí)例中只存在一個(gè)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(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的對(duì)象的。 和C++不同的是， Java只能在堆中存放對(duì)象， 而不能在棧上分配對(duì)象， 所有運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的對(duì)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(duì)象。一個(gè)JVM實(shí)例中只有一個(gè)堆， 所有線程共享堆中的數(shù)據(jù)（對(duì)象） 。

Java虛擬機(jī)支持幾種不同的創(chuàng)建對(duì)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(duì)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(dòng)釋放內(nèi)存。 所有被創(chuàng)建的對(duì)象都會(huì)被一個(gè)叫做垃圾收集器（GC）的模塊自動(dòng)回收， 垃圾收集器有不同的實(shí)現(xiàn)方式， 他們以 特定的方式判斷對(duì)象是否過期， 并以特定的方式對(duì)對(duì)象進(jìn)行回收， 關(guān)于垃圾收集的話題不是本文的重點(diǎn)， 這里就不多說了。 我們只要知道：所有創(chuàng)建的對(duì)象都存在堆中， 而垃圾收集器會(huì)自動(dòng)回收過期的對(duì)象， 所以，JVM的堆區(qū)是垃圾收集器的“重點(diǎn)管理區(qū)” 。

Java棧

Java棧是一個(gè)線程的執(zhí)行區(qū)域， 它保存著一個(gè)線程中的方法的調(diào)用狀態(tài)， 也可以說， 一個(gè)Java線程的運(yùn)行狀態(tài)， 都由一個(gè)Java棧來保存。 在這個(gè)棧中， 每一方法對(duì)應(yīng)一個(gè)棧幀， 請注意區(qū)分棧幀和棧這兩個(gè)概念。 棧指的是整個(gè)線程的執(zhí)行棧， 棧幀是棧中的一個(gè)單位， 每個(gè)方法對(duì)應(yīng)一個(gè)棧幀。 JVM會(huì)對(duì)Java棧執(zhí)行兩種操作： 壓棧和出棧。 這兩種操作在執(zhí)行時(shí)都是以幀（棧幀）為單位的。 當(dāng)調(diào)用了一個(gè)新的方法， 就會(huì)壓入一個(gè)棧幀， 當(dāng)一個(gè)方法調(diào)用完成， 就會(huì)彈出這個(gè)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(gè)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(gè)方塊表示一個(gè)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(gè)線程都會(huì)有自己的Java棧， 不會(huì)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(gè)線程都有一個(gè)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(huì)在Java棧中執(zhí)行， Java棧中只執(zhí)行Java方法。

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