【JVM】Java程序运行时数据区

运行时数据区

运行时数据区是Java程序执行过程中管理的内存区域

Java 运行时数据区组成（JVM 内存结构）

Java 虚拟机（JVM）的运行时数据区由以下核心部分组成：

线程私有：程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈。

线程共享：方法区、堆。

一、程序计数器

程序计数器存储当前执行的字节码指令地址。

线程私有：每个线程都有独立的程序计数器。

多线程场景下程序计数器的工作流程：

常见问题解答

Q：为什么程序计数器不会内存溢出？
A：其存储的是单个指令地址（指针），非用户数据。指针长度固定（32位系统4字节/64位8字节），且线程结束时自动释放。

Q：PC 如何影响程序流程控制？
A：分支指令直接修改 PC 值实现跳转：

0: iload_1
1: ifeq 12      // 如果值为0，PC跳转到12
4: iinc 1, -1   // 否则继续执行
...
12: return      // 跳转目标

Q：调试器如何实现断点功能？
A：通过修改 PC 值实现：

1. 在目标指令处插入特殊断点指令
2. 当 PC 指向断点时暂停执行
3. 显示当前堆栈和变量状态

二、Java虚拟机栈

Java虚拟机栈描述的是Java方法执行过程中的线程内存模型，主要作用是管理Java方法的调用过程。在当前线程中每个方法被调用的时候，JVM会同步创建一个栈帧呀入到虚拟机栈。栈帧中存储着局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等。

栈帧组成

1. 局部变量表

• 存储内容：

  • this(实例对象的地址)

  • 方法参数

  • 局部变量

  • 基本类型数据（int, boolean 等）

  • 对象引用（reference）

    

• 容量单位：变量槽（Slot）

  • 32位类型占1个Slot（int, float, reference）

  • 64位类型占2个Slot（long, double）

    索引	类型	名称	大小	示例值
    0	reference	this	1槽	0x00a3b1
    1	int	a	1槽	10
    2	double	b	2槽	20.5
    4	reference	c	1槽	0x00c4d2
    5	long	d	2槽	100

• 内存复用：Slot在作用域结束后可被复用

public void demo(int param) {
    int a = 10;          // Slot 0: this | Slot 1: param | Slot 2: a
    double b = 20.0;     // Slot 3-4: b (占2个Slot)
    String s = "hello";  // Slot 5: s
}

2. 操作数栈

• 作用：执行字节码指令的工作区

• 深度：编译期确定（写入方法表的 max_stack 属性）

• 示例代码及执行过程

  以下面的 Java 代码为例，分析操作数栈在方法执行过程中的具体工作情况。

  public class OperandStackExample {
      public static int add(int a, int b) {
          int c = a + b;
          return c;
      }
  
      public static void main(String[] args) {
          int result = add(3, 5);
          System.out.println(result);
      }
  }
  

  编译后的字节码分析

  add 方法编译后的部分字节码如下：

  public static int add(int, int);
    Code:
       0: iload_0         // 将局部变量表中第 0 个位置的 int 型变量（参数 a）压入操作数栈
       1: iload_1         // 将局部变量表中第 1 个位置的 int 型变量（参数 b）压入操作数栈
       2: iadd            // 从操作数栈中弹出两个 int 型操作数，相加后将结果压入操作数栈
       3: istore_2        // 将操作数栈顶的 int 型结果弹出，存入局部变量表中第 2 个位置（变量 c）
       4: iload_2         // 将局部变量表中第 2 个位置的 int 型变量（变量 c）压入操作数栈
       5: ireturn         // 将操作数栈顶的 int 型结果返回
  

  操作数栈状态变化

  1. 执行 iload_0 指令后：将参数 a（值为 3）压入操作数栈，此时操作数栈栈顶元素为 3。
  2. 执行 iload_1 指令后：将参数 b（值为 5）压入操作数栈，此时操作数栈从栈顶到栈底元素依次为 5、3。
  3. 执行 iadd 指令后：从操作数栈中弹出 5 和 3，计算 3 + 5 = 8，将结果 8 压入操作数栈，此时操作数栈栈顶元素为 8。
  4. 执行 istore_2 指令后：将操作数栈顶的 8 弹出，存入局部变量表中变量 c 的位置，此时操作数栈为空。
  5. 执行 iload_2 指令后：将局部变量表中变量 c 的值 8 压入操作数栈，此时操作数栈栈顶元素为 8。
  6. 执行 ireturn 指令后：将操作数栈顶的 8 返回，方法执行结束。

3. 动态链接

• 存储内容：指向方法区运行时常量池的引用
• 核心作用：将符号引用解析为直接引用
  • 类方法调用：确定目标方法的入口地址
  • 字段访问：定位字段在内存中的偏移量

4. 方法返回地址

• 两种返回方式：
  • 正常返回：PC计数器值作为返回地址
  • 异常退出：异常处理器表记录的地址
• 关键动作：
  • 恢复上层方法的局部变量表
  • 将操作数栈结果压回调用者栈帧
  • 调整PC计数器

三、本地方法栈

本地方法栈是 JVM 为执行本地方法（Native Method）提供的内存区域。本地方法是使用非 Java 语言（如 C、C++）实现的方法,主要作用是管理本地方法的调用过程。

栈帧结构

本地方法栈的栈帧结构和 Java 虚拟机栈的栈帧类似，通常包含以下部分：

局部变量表：用于存储本地方法执行过程中的局部变量，包括基本数据类型和对象引用。
操作数栈：在本地方法执行计算时，用于存储操作数和中间结果。
动态链接：将符号引用转换为直接引用，以便在运行时能够正确调用方法。
方法返回地址：记录方法执行完毕后返回的位置。

以上都是线程不共享，每个线程私有的内存区域，与每个线程当前执行位置与内存模型息息相关，都在线程创建时创建，在线程销毁时销毁。

四、方法区

方法区存放着已经被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量等数据。

储存内容

• 类型信息:

  • 类的全限定名（如 java.lang.String）
  • 类的直接父类的全限定名（对于 Object，没有父类）
  • 类的修饰符（public, abstract, final 等）
  • 实现的接口列表
  • 字段信息（字段名称、类型、修饰符）
  • 方法信息（方法名称、返回类型、参数类型/数量、修饰符、字节码、操作数栈和局部变量表大小）

• 运行时常量池:

  • 是字节码文件中常量池的运行时表现形式，被每个类或接口所独有。
  • 包含：
    • 编译期已知的字面量：文本字符串、final 常量值。
    • 符号引用：类和接口的完全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符。这些符号引用在类加载的解析阶段会被转化为直接引用（如内存地址）。

  JDK 7 之后，字符串常量池从方法区移到了堆中，但其他类型的常量（如整数常量、浮点常量等）依然存于运行时常量池，位于元空间。

• 静态变量:

  • 静态变量存储在方法区，可供所有的实例访问。

实现演变

• 永久代（JDK7及以前）：方法区使用永久代实现，永久代使用堆中的一部分内存，有固定大小限制，容易发生内存溢出。
• 元空间（JDK8以后）：移除永久代，使用元空间实现方法区，元空间使用系统直接内存，不再受堆内存的限制。

五、堆

在JVM中，堆的作用是存放所有的对象实例。堆被所有的线程共享。

存储内容

1.对象实例

• 所有new创建的对象。
• 数组对象：
  • int[], double[] 等基本类型数组（数组对象本身及其元素值都在堆中连续空间中）。
  • String[], Object[] 等引用类型数组（数组对象本身在堆中，其元素是指向堆中其他对象的引用）。

易混淆点

1. 字符串对象与字符串常量池：
   • 字符串对象本身（如 new String("abc") 或运行时拼接生成的 String）存储在堆中。
   • 字符串常量池自 JDK 7 起移至堆中，它存储的是：
     • 字符串字面量（如 "abc"）的引用（指向堆中的 String 对象）。
     • String.intern() 方法返回的字符串的引用。
   • 总结：字符串对象在堆，常量池（StringTable）也在堆（存储引用），但常量池本身是一个哈希表结构。
2. 静态变量引用的对象：
   • 静态变量（static 修饰）的引用本身存储在方法区（JDK 7+ 的元空间）。
   • 但静态变量指向的对象实例（如 static Object obj = new Object(); 中的 new Object()）存储在堆中。
3. **类信息：
   • 类的元数据（如类名、方法字节码、字段结构等）存储在方法区（元空间），不在堆中。
   • 类的 Class 对象（如 String.class）是一个特殊的对象实例，存储在堆中。
4. 基本类型局部变量 vs. 成员变量：
   • 成员变量（在对象内部）：基本类型（如 int, double）的值直接存在堆内对象内存中。
   • 局部变量（在方法内部）：基本类型（如 int i = 10;）的值存储在 Java 栈的栈帧的局部变量表 中，不在堆中。