05运行时数据区

JVM 在运行 Java 程序时，会把它管理的内存划分成若干个区域，称为运行时数据区。《Java虚拟机规范》中规定了每一部分的作用，但允许不同虚拟机在实现上各不相同。从大类上看，JVM 由类加载器、运行时数据区域（JVM 管理的内存）、执行引擎（即时编译器、解释器、垃圾回收器等）和本地接口几部分组成，类加载器把 class 字节码文件中的内容加载到内存中，执行引擎负责运行，运行时数据区则负责管理 JVM 使用到的内存（比如创建对象和销毁对象）。


从内存是否共享的角度，可以将运行时数据区分成两类：线程独占的（程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈）和线程共享的（堆、方法区）。


下面分别展开讲解。

1.程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）也叫 PC 寄存器，每个线程会通过程序计数器记录当前要执行的字节码指令的地址。


在加载阶段，虚拟机把字节码文件中的指令读取到内存之后，会将原文件中的偏移量转换成内存地址，每一条字节码指令都会拥有一个内存地址。代码执行过程中，程序计数器会记录下一行字节码指令的地址，执行完当前指令后，虚拟机的执行引擎根据程序计数器执行下一行指令。除了顺序执行，程序计数器还可以控制程序指令的进行，实现分支、跳转、异常等逻辑。

在多线程执行情况下，Java 虚拟机需要通过程序计数器记录 CPU 切换前解释执行到哪一句指令，等线程再次被调度时继续解释运行。


程序计数器在运行中会出现内存溢出吗？内存溢出指的是程序在使用某一块内存区域时，存放的数据需要占用的内存大小超过了虚拟机能提供的内存上限。因为每个线程只存储一个固定长度的内存地址，程序计数器是不会发生内存溢出的，程序员无需对程序计数器做任何处理。

2.Java虚拟机栈

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）采用栈的数据结构来管理方法调用中的基本数据，先进后出（First In Last Out），每一个方法的调用使用一个栈帧（Stack Frame）来保存。

public class MethodDemo {
    public static void main(String[] args) {
        study();
    }
 
    public static void study(){
        eat();
        sleep();
    }
    public static void eat(){
        System.out.println("吃饭");
    }
    public static void sleep(){
        System.out.println("睡觉");
    }
}

执行 main 方法时把 main 的栈帧压入栈中，调用 study 时再把 study 的栈帧压入栈顶；study 中又调用 eat，eat 栈帧入栈；eat 执行完出栈，再调用 sleep 入栈……整个调用过程符合"先进后出"，控制台依次打印"吃饭"、"睡觉"。


Java虚拟机栈随着线程的创建而创建，而回收则会在线程的销毁时进行。由于方法可能会在不同线程中执行，每个线程都会包含一个自己的虚拟机栈。

栈帧内部由三部分组成：局部变量表、操作数栈、帧数据。


• 局部变量表：作用是在运行过程中存放所有局部变量。
• 操作数栈：栈帧中虚拟机在执行指令过程中用来存放临时数据的一块区域。
• 帧数据：主要包含动态链接、方法出口、异常表的引用。

这三部分的细节（slot 槽、this、参数顺序、槽的复用、操作数栈的执行过程、动态链接、方法出口、异常表等）会在第14篇中详细展开。本文先看栈内存溢出的边界。

Java虚拟机栈如果栈帧过多，占用内存超过栈内存可以分配的最大大小就会出现内存溢出，Java虚拟机栈内存溢出时会抛出 StackOverflowError 错误。


如果不指定栈的大小，JVM 将创建一个具有默认大小的栈。大小取决于操作系统和计算机的体系结构（Linux x86 64 位默认 1MB，ppc 2MB；BSD、Solaris 64 位均为 1MB；Windows 基于操作系统默认值）。

要修改 Java 虚拟机栈的大小，可以使用虚拟机参数 -Xss：

• 语法：-Xss栈大小
• 单位：字节（默认，必须是 1024 的倍数）、k 或者 K(KB)、m 或者 M(MB)、g 或者 G(GB)
• 例如：-Xss1048576、-Xss1024K、-Xss1m、-Xss1g

一般情况下，工作中即便使用了递归进行操作，栈的深度最多也只能到几百，不会出现栈的溢出。所以此参数可以手动指定为 -Xss256k 节省内存。

3.本地方法栈

Java虚拟机栈存储了 Java 方法调用时的栈帧，而本地方法栈存储的是 native 本地方法的栈帧。在 Hotspot 虚拟机中，Java虚拟机栈和本地方法栈实现上使用了同一个栈空间。本地方法栈会在栈内存上生成一个栈帧，临时保存方法的参数，同时方便出现异常时也把本地方法的栈信息打印出来。


4.堆

一般 Java 程序中堆内存是空间最大的一块内存区域。创建出来的对象都存在于堆上。栈上的局部变量表中可以存放堆上对象的引用。静态变量也可以存放堆对象的引用，通过静态变量就可以实现对象在线程之间共享。


堆空间有三个需要关注的值：used、total、max。

• used：当前已使用的堆内存
• total：java虚拟机已经分配的可用堆内存
• max：java虚拟机可以分配的最大堆内存


堆内存 used、total、max 三个值可以在 arthas 中通过 dashboard 命令看到。手动指定刷新频率（不指定默认 5 秒一次）：dashboard -i 刷新频率(毫秒)。

随着堆中对象增多，当 total 即将不足时，虚拟机会继续分配内存给堆，total 值会变大，但 total 最多只能与 max 相等。如果不设置任何的虚拟机参数，max 默认是系统内存的 1/4，total 默认是系统内存的 1/64。在实际应用中一般都需要设置 total 和 max 的值（Oracle 官方文档：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html ）。

是不是当 used = max = total 的时候，堆内存就溢出了呢？不是，堆内存溢出的判断条件比较复杂，在下一章《垃圾回收器》中会详细介绍。

要修改堆的大小，可以使用虚拟机参数 -Xmx（max 最大值）和 -Xms（初始的 total）：

• 语法：-Xmx值 -Xms值
• 单位：字节（默认，必须是 1024 的倍数）、k 或者 K(KB)、m 或者 M(MB)、g 或者 G(GB)
• 限制：Xmx 必须大于 2 MB，Xms 必须大于 1MB
• 例如：-Xms6m -Xmx80m

为什么 arthas 中显示的 heap 堆大小与设置的值不一样呢？arthas 中的 heap 堆内存使用了 JMX 技术中内存获取方式，这种方式与垃圾回收器有关，计算的是可以分配对象的内存，而不是整个内存。

Java 服务端程序开发时，建议将 -Xmx 和 -Xms 设置为相同的值，这样在程序启动之后可使用的总内存就是最大内存，而无需向虚拟机再次申请，减少了申请并分配内存时间上的开销，同时也不会出现内存过剩之后堆收缩的情况。

5.方法区

方法区是存放基础信息的位置，线程共享，主要包含三部分内容：

• 类的元信息：保存了所有类的基本信息
• 运行时常量池：保存了字节码文件中的常量池内容
• 字符串常量池：保存了字符串常量

方法区是用来存储每个类的基本信息（元信息），一般称之为 InstanceKlass 对象，在类的加载阶段完成。


方法区除了存储类的元信息之外，还存放了运行时常量池。常量池中存放的是字节码中的常量池内容。字节码文件中通过编号查表的方式找到常量，这种常量池称为静态常量池；当常量池加载到内存中之后，可以通过内存地址快速定位到常量池中的内容，这种常量池称为运行时常量池。

方法区是《Java虚拟机规范》中设计的虚拟概念，每款 Java 虚拟机在实现上各不相同。Hotspot 设计如下：

• JDK7 及之前的版本将方法区存放在堆区域中的永久代空间，堆的大小由虚拟机参数 -XX:MaxPermSize=值 来控制。
• JDK8 及之后的版本将方法区存放在元空间中，元空间位于操作系统维护的直接内存中，默认情况下只要不超过操作系统承受的上限，可以一直分配。可以使用 -XX:MaxMetaspaceSize=值 将元空间最大大小进行限制。


arthas 可使用 memory 打印出内存情况，JDK7 及之前的版本查看 ps_perm_gen 属性，JDK8 及之后的版本查看 metaspace 属性。

5.1字符串常量池

方法区中除了类的元信息、运行时常量池之外，还有一块区域叫字符串常量池（StringTable）。字符串常量池存储在代码中定义的常量字符串内容，比如 "123" 中的 123 就会被放入字符串常量池。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = new String("abc");
        String s2 = "abc";
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}


字符串常量池和运行时常量池有什么关系？早期设计时，字符串常量池属于运行时常量池的一部分，存储位置也是一致的。后续做出了调整，将字符串常量池和运行时常量池做了拆分：

• JDK7 之前：运行时常量池逻辑包含字符串常量池，Hotspot 虚拟机对方法区的实现为永久代。
• JDK7：字符串常量池被从方法区拿到了堆中，运行时常量池剩下的东西还在永久代。
• JDK8 之后：Hotspot 移除了永久代，用元空间（Metaspace）取而代之，字符串常量池还在堆。

String.intern() 方法可以手动将字符串放入字符串常量池中。分别在 JDK6、JDK8 下执行同一段代码，JDK6 中结果是 false false，JDK8 中是 true false：

• JDK6 版本中，intern() 方法会把第一次遇到的字符串实例复制到永久代的字符串常量池中，返回的也是永久代里面这个字符串实例的引用。JVM 启动时就会把 java 加入到常量池中。


• JDK7 及之后版本中，由于字符串常量池在堆上，所以 intern() 方法会把第一次遇到的字符串的引用放入字符串常量池。


5.2静态变量的存储

运行时数据区都学完了，静态变量存储在哪里呢？

JDK6 及之前的版本中，静态变量是存放在方法区中的，也就是永久代。


JDK7 及之后的版本中，静态变量是存放在堆中的 Class 对象中，脱离了永久代。具体源码可参考虚拟机源码：BytecodeInterpreter 针对 putstatic 指令的处理。


6.直接内存

直接内存（Direct Memory）并不在《Java虚拟机规范》中存在，所以并不属于 Java 运行时的内存区域。在 JDK 1.4 中引入了 NIO 机制，使用了直接内存，主要为了解决以下两个问题：

1. Java 堆中的对象如果不再使用要回收，回收时会影响对象的创建和使用。
2. IO 操作比如读文件，需要先把文件读入直接内存（缓冲区）再把数据复制到 Java 堆中。

现在直接放入直接内存即可，同时 Java 堆上维护直接内存的引用，减少了数据复制的开销。写文件也是类似的思路。


要创建直接内存上的数据，可以使用 ByteBuffer：

• 语法：ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(size);
• 注意事项：arthas 的 memory 命令可以查看直接内存大小，属性名 direct。

如果需要手动调整直接内存的大小，可以使用 -XX:MaxDirectMemorySize=大小。单位 k 或 K 表示千字节，m 或 M 表示兆字节，g 或 G 表示千兆字节。默认不设置该参数情况下，JVM 自动选择最大分配的大小。以下示例以不同的单位说明如何将直接内存大小设置为 1024 KB：

-XX:MaxDirectMemorySize=1m
-XX:MaxDirectMemorySize=1024k
-XX:MaxDirectMemorySize=1048576