05运行时数据区

03已经讲了图片中的类加载器了，本文将展开讲解运行时数据区。

Java虚拟机在运行Java程序过程中管理的内存区域称之为运行时数据区。《Java虚拟机规范》中规定了每一部分的作用。运行时数据区包括：每个线程独有的程序计数器、java虚拟机栈、本地方法栈（java虚拟机栈和本地方法栈非常相似，部分虚拟机直接在实现时将这两个部分和为一体）；所有线程共享的方法区和堆。

下面展开讲解这些区域。

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的字节码指令的地址。例子：

以此类推。

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切换前解释执行到那一句指令并继
续解释运行。

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。

栈中数据包括：

1. 局部变量表，作用是在运行过程中存放所有局部变量。
2. 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。
3. 帧数据，主要包含动态链接、方法出口、异常表的引用。

2.1局部变量表

使用jclasslib可以查看变量的局部变量表：

栈帧中的局部变量表是一个数组，数组中每一个位置称之为槽(slot) ，long和double类型占用两个槽，其
他类型占用一个槽。

实例方法中的序号为0的位置存放的是this，指的是当前调用方法的对象，运行时会在内存中存放实例对象
的地址。

方法参数也会保存在局部变量表中，其顺序与方法中参数定义的顺序一致。局部变量表保存的内容有：实例方法的this对象，方法的参数，方法体中声明的局部变量。

为了节省空间，局部变量表中的槽是可以复用的，一旦某个局部变量不再生效，当前槽就可以再次被使用。（下图中 a、b、c均是在运行中不再生效的内容。）

2.2操作数栈

操作数栈是栈帧中虚拟机在执行指令过程中用来存放中间数据的一块区域。他是一种栈式的数据结构，如
果一条指令将一个值压入操作数栈，则后面的指令可以弹出并使用该值。在编译期就可以确定操作数栈的最大深度，从而在执行时正确的分配内存大小

2.3帧数据

帧数据包括：

• 动态链接：当前类的字节码指令引用了其他类的属性或者方法时，需要将符号引用（编号）转换成对应的运行时常量池中的内存地址。动态链接保存了编号到运行时常量池的内存地址的映射关系。

• 方法出口：方法在正确或异常时，当前栈帧会被弹出。同时程序计数器应该指向上一个栈帧中的上一个栈帧的下一条指令的地址所以在当前栈帧中，需要存储此方法出口的地址。

• 异常表的引用：异常表存放的是代码中异常的处理信息，包括了异常捕获的生效范围以及异常发生后跳转到的字节码指令位置。

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出现StackOverflowError的错误。

如果我们不指定栈的大小，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。

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)
比如：-Xss1024K（下图为idea的相关配置方法）

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。

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。

3.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指的是当前已使用的堆内存，total是java虚拟机已经分配的可用堆内存，max是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)

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。

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：java

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：Xms6291456 -Xms6144k -Xms6m -Xmx83886080 -Xmx81920k -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java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。

4.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。关于类的加载阶段可以看我的03类的生命周期：zublog.xin/archives/422

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的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。

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” 这个123就会被放入字符串常量池。

字符串常量池和运行时常量池有什么关系？
早期设计时，字符串常量池是属于运行时常量池的一部分，他们存储的位置也是一致的。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。

通过字节码指令分析如下代码的运行结果？

String.intern()方法是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
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。

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。

5.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=104857