Java虚拟机之运行时数据区

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数据区域。这些区域都有各自的用途，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。

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码行号指示器。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，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。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并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（对于多喝处理器来说是一个内核） 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，各条线程之间的计数器互不影响、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Natvie方法，这个计数器值则为空 （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。

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Vitual Machine Stacks）也是线程私有的，他的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧 （Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译器克制的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（Object reference）和字节码指令地址（returnAddress类型）。

在Java虚拟机规范中，对于此区域规定了两种异常状况：

(1)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；

(2)如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用非常类似，区别在于虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中的最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上页渐渐变得不是那么“绝对”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的 磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的。（通过-Xmx和-Xms控制）如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。