前言

Java 虛擬機(jī)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)經(jīng)常在面試中被拿來提問，很多概念在市面上有各種各樣的說法，搞的不少同學(xué)應(yīng)該是懵逼的。

當(dāng)我們陷入不知道哪個(gè)說法是正確的情況時(shí)，最好的參考就是源碼和規(guī)范。

在面試中，當(dāng)面試官反問你：為什么某某是這樣？的時(shí)候，如果你回答：因?yàn)橐?guī)范是這么寫的、因?yàn)樵创a是這么寫的。

這個(gè)回答是非常有說服力的。

因此，本文在描述一些有爭(zhēng)議的問題上，優(yōu)先以《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》的說法為準(zhǔn)。

正文

1、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)（Run-Time Data Areas）

Java 虛擬機(jī)定義了若干種在程序執(zhí)行期間會(huì)使用到的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域。

其中一些數(shù)據(jù)區(qū)域在 Java 虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)被創(chuàng)建，隨著虛擬機(jī)退出而銷毀。也就是線程間共享的區(qū)域：堆、方法區(qū)、運(yùn)行時(shí)常量池。

另外一些數(shù)據(jù)區(qū)域是按線程劃分的，這些數(shù)據(jù)區(qū)域在線程創(chuàng)建時(shí)創(chuàng)建，在線程退出時(shí)銷毀。也就是線程間隔離的區(qū)域：程序計(jì)數(shù)器、Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧。

1）程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）

Java 虛擬機(jī)可以支持多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，每個(gè)線程都有自己的程序計(jì)數(shù)器。在任何時(shí)刻，每個(gè)線程都只會(huì)執(zhí)行一個(gè)方法的代碼，這個(gè)方法稱為該線程的當(dāng)前方法（current method）。

如果線程正在執(zhí)行的是 Java 方法（不是 native 的），則程序計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的 Java 虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址。如果正在執(zhí)行的是本地（native）方法，那么計(jì)數(shù)器的值是空的（undefined）。

2）Java虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）

每個(gè) Java 虛擬機(jī)線程都有自己私有的 Java 虛擬機(jī)棧，它與線程同時(shí)創(chuàng)建，用于存儲(chǔ)棧幀。

Java 虛擬機(jī)棧描述的是 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。

每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過程。

3）本地方法棧（Native Method Stacks）

本地方法棧與 Java 虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，它們之間的區(qū)別不過是 Java 虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行 Java方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的本地（Native）方法服務(wù)。

4）堆（Heap）

堆是被各個(gè)線程共享的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域，也是供所有類實(shí)例和數(shù)組對(duì)象分配內(nèi)存的區(qū)域。

堆在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，堆存儲(chǔ)的對(duì)象不會(huì)被顯示釋放，而是由垃圾收集器進(jìn)行統(tǒng)一管理和回收。

5）方法區(qū)（Method Area）

方法區(qū)是被各個(gè)線程共享的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域。方法區(qū)類似于傳統(tǒng)語言的編譯代碼的存儲(chǔ)區(qū)。它存儲(chǔ)了每一個(gè)類的結(jié)構(gòu)信息，例如：運(yùn)行時(shí)常量池、字段和方法數(shù)據(jù)，構(gòu)造函數(shù)和普通方法的字節(jié)碼內(nèi)容，還包括一些用于類、實(shí)例、接口初始化用到的特殊方法。

6）運(yùn)行時(shí)常量池（Run-Time Constant Pool）

運(yùn)行時(shí)常量池是 class 文件中每一個(gè)類或接口的常量池表（constant_pool table）的運(yùn)行時(shí)表示形式。

它包含了若干種常量，從編譯時(shí)已知的數(shù)值字面量到必須在運(yùn)行時(shí)解析后才能獲得的方法和字段引用。運(yùn)行時(shí)常量池的功能類似于傳統(tǒng)編程語言的符號(hào)表（symbol table），不過它包含的數(shù)據(jù)范圍比通常意義上的符號(hào)表要更為廣泛。

2、Java 中有哪幾種常量池？

現(xiàn)在我們經(jīng)常提到的常量池主要有三種：class 文件常量池、運(yùn)行時(shí)常量池、字符串常量池。

3、class 文件常量池

class 文件常量池（class constant pool）屬于 class 文件的其中一項(xiàng)，class 類文件包含：魔數(shù)、類的版本、常量池、訪問標(biāo)志、字段表集合、方發(fā)表等信息。

常量池用于存放編譯期間生成的各種字面量（Literal）和符號(hào)引用（Symbolic References）。

字面量比較接近于Java語言層面的常量概念，如文本字符串、聲明為 final 的常量值等。

符號(hào)引用則屬于編譯原理方面的概念。符號(hào)引用是一組符號(hào)來描述所引用的目標(biāo)，符號(hào)可以是任何形式的字面量，只要使用時(shí)能無歧義地定位到目標(biāo)即可（它與直接引用區(qū)分，直接引用一般是指向方法區(qū)的本地指針，相對(duì)偏移量或是一個(gè)能間接定位到目標(biāo)的句柄）。符號(hào)引用主要包括下面幾類常量：

• 被模塊導(dǎo)出或開放的包（Package）
• 類和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
• 字段的名稱和描述符（Descriptor）

常量池中每一項(xiàng)常量都是一個(gè)表，截至JDK 13，常量表中分別有17種不同類型的常量。17種常量類型所代表的具體含義如圖所示。

關(guān)于 class 文件常量池的更多內(nèi)容可以閱讀周志明的《深入理解Java虛擬機(jī)》6.3.2 章節(jié)。

4、運(yùn)行時(shí)常量池

class 文件常量池是在類被編譯成 class 文件時(shí)生成的。而當(dāng)類被加載到內(nèi)存中后，JVM 就會(huì)將 class 文件常量池中的內(nèi)容存放到運(yùn)行時(shí)常量池中。

Java 虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)運(yùn)行時(shí)常量池的定義如下：

A run-time constant pool is a per-class or per-interface run-time representation of the constant_pool table in a class file.

運(yùn)行時(shí)常量池是 class 文件中每一個(gè)類或接口的常量池表（constant_pool table）的運(yùn)行時(shí)表示形式。

因此，根據(jù)規(guī)范定義，可以說運(yùn)行時(shí)常量池是 class 文件常量池的運(yùn)行時(shí)表示，每個(gè)類在運(yùn)行時(shí)都有自己的一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行時(shí)常量池。

5、字符串常量池

簡(jiǎn)單來說，HotSpot VM 里的字符串常量池（StringTable）是個(gè)哈希表，全局只有一份，被所有的類共享。

StringTable 具體存儲(chǔ)的是 String 對(duì)象的引用，而不是 String 對(duì)象實(shí)例自身。String 對(duì)象實(shí)例在 JDK 6 及之前是在永久代里，從JDK 7 開始放在堆里。

根據(jù) Java 虛擬機(jī)規(guī)范的定義，堆是存儲(chǔ) Java 對(duì)象的地方，其他地方是不會(huì)有 Java 對(duì)象實(shí)體的，如果有的話，根據(jù)規(guī)范定義，這些地方也要算堆的一部分。

6、字符串常量池是否屬于方法區(qū)？

我認(rèn)為是不屬于的。

在讀本文之前，我相信很多同學(xué)會(huì)有如下觀點(diǎn)：因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)常量池屬于方法區(qū)，所以很多同學(xué)認(rèn)為字符串常量池也應(yīng)該屬于方法區(qū)。

但是相信看了上面的內(nèi)容后，會(huì)開始意識(shí)到，運(yùn)行時(shí)常量池和字符串常量池其實(shí)是不同的兩個(gè)東西，當(dāng)然它們?cè)谧址馕鰰r(shí)會(huì)有關(guān)聯(lián)。

Java 虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)方法區(qū)的定義如下：

The Java Virtual Machine has a method area that is shared among all Java Virtual Machine threads. The method area is analogous to the storage area for compiled code of a conventional language or analogous to the "text" segment in an operating system process. 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 (§2.9) used in class and instance initialization and interface initialization

在 Java 虛擬機(jī)中，方法區(qū)是被各個(gè)線程共享的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域。方法區(qū)類似于傳統(tǒng)語言的編譯代碼的存儲(chǔ)區(qū)，或者類似于操作系統(tǒng)進(jìn)程中的文本段。它存儲(chǔ)了每一個(gè)類的結(jié)構(gòu)信息，例如：運(yùn)行時(shí)常量池、字段和方法數(shù)據(jù)，構(gòu)造函數(shù)和普通方法的字節(jié)碼內(nèi)容，還包括一些用于類、實(shí)例、接口初始化用到的特殊方法。

這邊的關(guān)鍵在于 “它存儲(chǔ)了每一個(gè)類的結(jié)構(gòu)信息”，而字符串常量池并不屬于某個(gè)類，字符串常量是全局共享的，因此，根據(jù)規(guī)范定義，我們可以說字符串常量池不屬于方法區(qū)。

那字符串常量池（StringTable）究竟存在哪里了？

StringTable 本體是存儲(chǔ)在 native memory（本地內(nèi)存）里，不是在永久代里，不是在方法區(qū)里，當(dāng)然，更不是在堆里。

7、運(yùn)行時(shí)常量池和字符串常量池的關(guān)聯(lián)？

上面說了，運(yùn)行時(shí)常量池和字符串常量池在字符串解析時(shí)會(huì)有關(guān)聯(lián)，具體如下。

類的運(yùn)行時(shí)常量池中有 CONSTANT_String_info（見題3表格）類型的常量，CONSTANT_String_info 類型的常量的解析（resolve）過程如下：

首先到字符串常量池（StringTable）中查找是否已經(jīng)有了該字符串的引用，如果有，則直接返回字符串常量池的引用；如果沒有，則在堆中創(chuàng)建 String 對(duì)象，并在字符串常量池駐留其引用，然后返回該引用。

也就說，運(yùn)行時(shí)常量池里的 CONSTANT_String_info 類型的常量，經(jīng)過解析（resolve）之后，同樣存的是字符串的引用，并且和 StringTable 駐留的引用的是一致的。

8、String#intern 方法

在 JDK 7 及之后的版本中，該方法的作用如下：如果字符串常量池中已經(jīng)有這個(gè)字符串，則直接返回常量池中的引用；如果沒有，則將這個(gè)字符串的引用保存一份到字符串常量池，然后返回這個(gè)引用。

下面的例子可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的驗(yàn)證：

public static void main(String args[]) {

    // 創(chuàng)建2個(gè)對(duì)象，str持有的是new創(chuàng)建的對(duì)象引用
    // 1）駐留（intern）在字符串常量池中的對(duì)象
    // 2）new創(chuàng)建的對(duì)象
    String str = new String("joonwhee");
    // 字符串常量池中已經(jīng)有了，返回字符串常量池中的引用
    String str2 = "joonwhee";
    // false，str為new創(chuàng)建的對(duì)象引用，str2為字符創(chuàng)常量池中的引用
    System.out.println(str == str2);
    // str修改為字符串常量池的引用，所以下面為true
    str = str.intern();
    // true
    System.out.println(str == str2);
}

9、永久代（PermGen）

永久代在 Java 8 被移除。根據(jù)官方提案的描述，移除的主要?jiǎng)訖C(jī)是：要將 JRockit 和 Hotspot 進(jìn)行融合，而 JRockit 并沒有永久代。

而據(jù)我們所了解的，還有另外一個(gè)重要原因是永久代本身也存在較多的問題，經(jīng)常出現(xiàn)OOM，還出過不少bug。

根據(jù)官方提案的描述，永久代主要存儲(chǔ)了三種數(shù)據(jù)：

1）Class metadata（類元數(shù)據(jù)），也就是方法區(qū)中包含的數(shù)據(jù)，除了編譯生成的字節(jié)碼被放在 native memory（本地內(nèi)存）。

2）interned Strings，也就是字符串常量池中駐留引用的字符串對(duì)象，字符串常量池只駐留引用，而實(shí)際對(duì)象是在永久代中。

3）class static variables，類靜態(tài)變量。

移除永久代后，interned Strings 和 class static variables 被移動(dòng)了堆中，Class metadata 被移動(dòng)到了后來的元空間。

10、永久代和方法區(qū)的關(guān)系？

方法區(qū)是 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中定義的一種邏輯概念，而永久代是對(duì)方法區(qū)的實(shí)現(xiàn)。但是永久代并不等同于方法區(qū)，方法區(qū)也不等同于永久代。

永久代中的 interned Strings 并不屬于方法區(qū)，按規(guī)范：堆是存儲(chǔ) Java 對(duì)象的地方 ，這部分應(yīng)該屬于堆，因此永久代并不是只用于實(shí)現(xiàn)方法區(qū)。

方法區(qū)中 JIT 編譯生成的代碼并不是存放在永久代，而是在 native memory 中，因此可以說方法區(qū)也并不只是由永久代來實(shí)現(xiàn)。

11、元空間（metaspace）

元空間在 Java 8 移除永久代后被引入，用來代替永久代，本質(zhì)和永久代類似，都是對(duì)方法區(qū)的實(shí)現(xiàn)。不過元空間與永久代之間最大的區(qū)別在于：元空間并不在虛擬機(jī)中，而是使用本地內(nèi)存（native memory）。

元空間主要用于存儲(chǔ) Class metadata（類元數(shù)據(jù)），根據(jù)其命名其實(shí)也看得出來。

可以通過 -XX:MaxMetaspaceSize 參數(shù)來限制元空間的大小，如果沒有設(shè)置該參數(shù)，則元空間默認(rèn)限制為機(jī)器內(nèi)存。

12、為什么引入元空間？

在 Java 8 之前，Java 虛擬機(jī)使用永久代來存放類元信息，通過-XX:PermSize、-XX:MaxPermSize 來控制這塊內(nèi)存的大小，隨著動(dòng)態(tài)類加載的情況越來越多，這塊內(nèi)存變得不太可控，到底設(shè)置多大合適是每個(gè)開發(fā)者要考慮的問題。

如果設(shè)置小了，容易出現(xiàn)內(nèi)存溢出；如果設(shè)置大了，又有點(diǎn)浪費(fèi)，盡管不會(huì)實(shí)質(zhì)分配這么大的物理內(nèi)存。

而元空間可以較好的解決內(nèi)存設(shè)置多大的問題：當(dāng)我們沒有指定 -XX:MaxMetaspaceSize 時(shí)，元空間可以動(dòng)態(tài)的調(diào)整使用的內(nèi)存大小，以容納不斷增加的類。

13、元空間能徹底解決內(nèi)存溢出（Out Of Memory）問題嗎？

很遺憾，答案是不行的。

元空間無法徹底解決內(nèi)存溢出的問題，只能說是有所緩解。當(dāng)內(nèi)存使用完畢后，元空間一樣會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存溢出的情況，最典型的場(chǎng)景就是出現(xiàn)了內(nèi)存泄漏時(shí)。

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！

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