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运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。

这些区域有各自的用途以及创建和销毁的时间有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

根据《Java虚拟机规范》的规定Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域如图2-1所示。

2.2.1

Register是一块较小的内存空间它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

在Java虚拟机的概念模型里[1]字节码解释器工作时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它是程序控制流的指示器分支、循环、跳转、异常处

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的在任何一个确定的时刻一个处理器对于多核处理器来说是一个内核都只会执行一条线程中的指令。

因此为了线程切换后能恢复到正确的执行位置每条线程都需要有一个独立的程序计数器各条线程之间计数器互不影响独立存储我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个Java方法这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址如果正在执行的是本地Native方法这个计数器值则应为空Undefined。

此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.2.2

Stack也是线程私有的它的生命周期与线程相同。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型每个方法被执行的时候Java虚拟机都会同步创建一个栈帧[1]Stack

Frame用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信

息。

每一个方法被调用直至执行完毕的过程就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

经常有人把Java内存区域笼统地划分为堆内存Heap和栈内存Stack这种划分方式直接继承自传统的C、C程序的内存布局结构在Java语言里就显得有些粗糙了实际的内存区域划分要比这更复杂。

不过这种划分方式的流行也间接说明了程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的区域是“堆”和“栈”两块。

其中“堆”在稍后笔者会专门讲述而“栈”通常就是指这里讲的虚拟机栈或者更多的情况下只是指虚拟机栈中局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型boolean、byte、char、short、int、float、long、double、对象引用reference类型它并不等同于对象本身可能是一个指向对象起始地址的引用指针也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置和returnAddress类型指向了一条字节码指令的地址。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽Slot来表示其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽其余的数据类型只占用一个。

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配当进入一个方法时这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

请读者注意这里说的“大小”是指变量槽的数量虚拟机真正使用多大的内存空间譬如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特或者更多来实现一个变量槽这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。

在《Java虚拟机规范》中对这个内存区域规定了两类异常状况如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度将抛出StackOverflowError异常如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展[2]当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.3

Stacks与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法也就是字节码服务而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地Native方法服务。

《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它甚至有的Java虚拟机譬如Hot-Spot虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

与虚拟机栈一样本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。