JVM執行時資料區域詳解

參考文章：

• 《Java Se11 虛擬機器器規範》
• 《深入理解Java虛擬機器器-JVM高階特性與最佳實踐 第3版》- 周志明

本文基於Java Se 11講解。

根據《Java虛擬機器器規範》的規定，Java虛擬機器器所管理的記憶體將會包括以下幾個執行時資料區域：

對於不同的虛擬機器器實現，在執行時資料區的實現上並不完全相同。對於常用的HotSpot虛擬機器器來說，它的執行時資料區如下：

主要區別在於，HotSpot使用了直接使用本地記憶體（即機器本身記憶體）的元空間（metaspace）來實現方法區。

下面針對每個具體的資料區域進行詳細的介紹。

1. 程式計數器

程式計數器（Program Counter Register）是一塊較小的記憶體空間，它可以看作是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器。

JVM可以同時支援多個執行執行緒。每個Java虛擬機器器執行緒都有自己的pc（程式計數器）暫存器。在任何時候，每個Java虛擬機器器執行緒都在執行單個方法的程式碼，即該執行緒的當前方法。如果該方法不是native方法，則pc暫存器包含當前正在執行的Java虛擬機器器指令的地址。如果執行緒當前正在執行的方法是native的，則pc暫存器的值為undefined。Java虛擬機器器的pc暫存器足夠寬，可以容納特定平臺上的returnAddress或native指標。

此記憶體區域是唯一一個在《Java虛擬機器器規範》中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

2. Java虛擬機器器棧

與程式計數器一樣，是執行緒私有的，生命週期與執行緒相同。虛擬機器器棧描述的是Java方法執行的執行緒記憶體模型。

「虛擬機器器棧」裡面的每條資料就是「棧幀」，在 Java 方法執行的時候則建立一個「棧幀」併入棧「虛擬機器器棧」。呼叫結束則「棧幀」出棧。

每個棧幀包含四個區域：

1. 區域性變數表：儲存了方法執行過程中需要用到的所有區域性變數
2. 運算元棧：暫存變數，通過變數的入棧、出棧等操作來執行計算
3. 動態連線：翻譯符號參照為直接參照，即把一個字面量翻譯為執行時的一個地址參照
4. 返回地址

每個執行緒擁有一個「虛擬機器器棧」，每個「虛擬機器器棧」擁有多個「棧幀」，而棧幀則對應著一個方法。每個「棧幀」包含區域性變數表、運算元棧、動態連結、方法返回地址。方法執行結束則意味著該「棧幀」出棧。

在《Java虛擬機器器規範》中，對這個記憶體區域規定了兩類異常狀況：

1. 如果執行緒請求的棧深度大於虛擬機器器所允許的深度，將丟擲StackOverflowError異常；
2. 如果Java虛擬機器器棧容量可以動態擴充套件(HotSpot虛擬機器器的棧容量不能動態擴充套件)，當棧嘗試擴充套件時無法申請到足夠的記憶體，或為一個新執行緒初始化JVM棧時沒有足夠的記憶體時會丟擲OutOfMemoryError異常。

3. 本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機器器棧所發揮的作用是非常相似的，其區別只是虛擬機器器棧為虛擬機器器執行Java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機器器使用到的本地（Native）方法服務。

《Java虛擬機器器規範》對本地方法棧中方法使用的語言、使用方式與資料結構並沒有任何強制規定，因此具體的虛擬機器器可以根據需要自由實現它，甚至有的Java虛擬機器器（譬如Hot-Spot虛擬機器器）直接就把本地方法棧和虛擬機器器棧合二為一。與虛擬機器器棧一樣，本地方法棧也會在棧深度溢位或者棧擴充套件失敗時分別丟擲StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

4. Java堆

所有執行緒共用，虛擬機器器啟動時建立。唯一的目的是用於存放物件範例和陣列，絕大部分物件範例在堆上分配記憶體。

在 Java 中，陣列也是物件。

現代垃圾收集器大部分基於分代收集理論設計。「新生代」、「老年代」這些名詞僅僅是一部分GC的設計風格，而不是《Java虛擬機器器規範》定義的。而從G1收集器出現之後，出現了不採用分代設計的新垃圾收集器。

JDK8之後Class物件、static變數、字串常數池都放在堆裡。

static變數作為類的資訊，儲存在Class物件裡。

Java 的物件可以分為基本資料型別和普通物件。普通物件會在堆上分配。對於基本資料型別，如果是區域性變數，則會在棧上分配。其他情況，通常在在堆上分配，逃逸分析的情況下可能會在棧分配。

如果在Java堆中沒有記憶體完成範例分配，並且堆也無法再擴充套件時，Java虛擬機器器將會丟擲OutOfMemoryError異常。

4.1 字串常數池

字串常數池是由String類維護的一個字串池。是一種池化思想的實現，是為了節省重複建立字串物件的效能開銷和記憶體空間。

每當程式碼建立字串常數時，JVM會首先檢查字串常數池。如果字串已經存在池中，就返回池中的範例參照。如果字串不在池中，就會範例化一個字串並放到池中。Java能夠進行這樣的優化是因為字串是不可變的，可以不用擔心資料衝突進行共用。

字串常數池從JDK7開始挪到了堆中。

可以通過呼叫String.intern()方法把一個字串物件放到字串常數池中。如果池中已經存在相等的物件，則會返回已存在物件的參照；否則會把這個字串物件加入到池中，並返回新加入的字串物件的參照。

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String s = new String("hello")會建立幾個物件？

如果字串常數池中沒有"hello"，則生成2個，否則只生成一個。

String s = new String("abc"); System.out.println((s.intern() == s));列印結果是什麼？

列印結果為false。s指向的是堆中的物件，s.intern()返回的是字串常數池中的物件的參照。

4.2 字面量和常數

字面量(literal) ：用於表達原始碼中的一個固定值的符號(notation)。如整數、浮點數及字串等。如1、0x01是整數位面量，Hello World是字串字面量。

常數：在java中，final修飾的變數也可以被稱為是常數。任何具有不變性的東西都可以稱為常數。如String物件是常數。

物件池：是Java語言層面實現的，如Integer.valueOf()（Integer i = 10也會調該方法）會使用IntegerCache的快取物件。如果使用new Integer(10)則不會使用物件池中的範例。

字串常數池：類似於物件池，但它是JVM層面的技術。字串常數池的實現是c++實現的StringTable，實際上是一個固定容量的Hashtable，每一個bucket包含一系列相同hash碼的字串。

5. 方法區

用於儲存被JVM載入的class的後設資料資訊，比如類的結構、執行時的常數池、欄位、常數、方法資料、方法建構函式以及介面初始化等特殊方法。還有JIT編譯器編譯後的程式碼快取等資料。

JDK8之前，HotSpot採用永久代的概念實現方法區，JDK8開始廢棄了永久代的概念，改用在本地記憶體(Native Memory)中實現的元空間(Meta-space)來代替。

方法區的GC比較少出現，回收目標主要是針對常數池的回收和對型別的解除安裝。

根據《Java虛擬機器器規範》的規定，如果方法區無法滿足新的記憶體分配需求時，將丟擲OutOfMemoryError異常。

5.1 執行時常數池

執行時常數池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊是常數池表（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量與符號參照，這部分內容將在類載入後存放到方法區的執行時常數池中。

一般來說，除了儲存Class檔案中描述的符號參照外，還會把由符號參照翻譯出來的直接參照也儲存在執行時常數池中。

既然執行時常數池是方法區的一部分，自然受到方法區記憶體的限制，當常數池無法再申請到記憶體時會丟擲OutOfMemoryError異常。