JVM运行时数据区结构及原理-爱代码爱编程
目录
一、概述
运行时数据区包括：
- 堆程序计数器
- 虚拟机栈
- 本地方法栈
- 堆
- 方法区
运行时数据区内部结构：
下图红色区域（即堆和方法区）：一个进程对应一份，一个进程可以有多个线程，即是线程共享的。JVM允许一个应用有多个线程并行执行
灰色区域（即PC、栈、本地栈）：每个线程都拥有一份，即是线程独立的。
每个JVM只有一个Runtime实例（即运行时数据区）。
二、程序计数器（PC寄存器）
Java虚拟机可以同时支持多个执行线程。每个Java虚拟机线程都有自己的pc（程序计数器）寄存器，PC寄存器的生命周期与线程保 持一致。在任何时候，每个Java虚拟机线程都在执行单个方法的代码，即该线程的当前方法。如果该方法不是本机的，则pc寄存器包含当前正在执行的Java虚拟机指令的地址。如果线程当前执行的方法是本机的，那么Java虚拟机的pc寄存器的值是未定义的。Java虚拟机的pc寄存器足够宽，可以在特定平台上保存返回地址或本机指针。
它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。字节码解释器工作室就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。而且它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何GC(垃圾回收)和OOM(内存溢出)情况的区域。
下面我们将两数相加的程序反编译后可得到：
PC寄存器存放下一条指令的地址
执行引擎会根据PC寄存器中存储的地址找到对应的数据，并进行操作栈和翻译成机器指令的操作。
三、虚拟机栈
由于跨平台的设计，Java指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。每个线程创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（栈存储数据的基本单位），一个栈桢对应一个Java方法。栈是线程私有的，生命周期和线程保持一致。栈不存在GC（垃圾回收机制）。
栈主管Java的运行，它保存方法的局部变量（8中基本数据类型、对象的引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回。
基于栈设计的优点：跨平台，指令集小，编译器容易实现；分配存储快速有效，访问速度仅次于PC寄存器
缺点：性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。
-Xss 可设置栈的大小
- 如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个 StackOverflowError 异常。
- 如果本地方法栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈，那么Java虚拟机将会抛出一个 OutOfMemoryError 异常。
【栈的存储结构】
栈中数据以栈帧（Stacke）为基本存储单位。在这个线程上正在执行的每个方法都对应着一个栈桢，一个方法的开始就是一个栈帧的入栈，一个方法的结束就是一个栈帧的出栈。
【栈的运行原理】
JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈没遵循“先进后出、后进先出”的原则。如果当前方法调用了其他方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈桢，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈桢重新成为当前栈帧。Java方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令；另一种是抛出异常，不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。
【局部变量表】
局部变量表也被称之为局部变量数组和本地变量表。它被定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，这些数据类型包括基本数据类型、对象引用（reference），以及returnAddress类型。局部变量表所需的容量大小在编译期确定下来，并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中，在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题。
局部变量表，最基本的存储单元是Slot（变量槽）。
在局部变量表里，32位(4字节)以内的类型只占用一个slot（包括returnAddress类型），64位(8字节)的类型（long和duble）占用两个slot。其中，byte、short、char、boolean都以int类型来保存。
补充说明：
- 在栈桢中，与性能调优关系最为密切关系的部分就是局部变量表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。
- 局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。
【操作数栈】
操作数栈，主要用于保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。
和局部变量表一样：
- 操作数栈所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，位max_stack的值。
- 其同样是32bit的类型占用一个栈单位深度，64bit的类型占用两个栈单位深度。其中，byte、short、char、boolean都以int类型来保存。
补充说明：
- 如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。
- 另外，我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。
- 由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读写操作（进栈/出栈）必然会影响执行速度（栈的操作指令也比较多）。为了解决这个问题，HotSpot JVM设计者们提出了栈顶缓存技术：就是将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中，依次降低对内存的读写次数，提升执行引擎的执行效率。
【动态链接】
每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接（Dynamic Linking）。比如：invokedynamic指令
在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用（Symbolic Reference）保存在class文件的常量池里。比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。
常量池的作用，就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别。
补充：
【方法的调用】
在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制有关：
- 静态链接：当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知，且运行期保持不变时。这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接。
- 动态链接：如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种方法转换过程具备动态性，因此也就被称之为动态链接。
【方法返回值地址】
用于存放 调用该方法的PC寄存器的值，以便能返回到该方法被调用的位置继续向下执行指令。
一个方法的结束，有两种方式：正常执行完成、出现未处理异常的非正常退出。
无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的pc计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息，而且通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。
四、本地方法栈
在介绍本地方法栈之前，我们还需要了解一下本地方法接口和本地方法库。
简单地讲，一个Native Method就是一个Java调用非Java代码的接口，是由非Java语言实现的，比如使用C/C++语言来实现。在定义一个native method时，并不提供实现体（有些像定义一个Java interface），因为其 实现体 是由非Java语言在外面实现的。其作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合 C/C++语言。
native关键字修饰本地方法，不能与abstract关键词同时使用。native关键字修饰的方法是有方法体的，只是不是用Java代码所写，而abstract关键字修饰的方法没有方法体。
【本地方法栈】
