⚛️ 运行时数据区

线程私有

1. 程序计数器

• 记录程序运行到的位置，方便线程切换后能够返回继续进行
• 多线程运行时，每个线程都有自己的程序计数器，每个线程任意时刻只能运行一个方法中的代码
• 值：
  • Java 方法： 虚拟机字节码指令的地址
  • Native 方法： undefined
• 唯一不会 OOM 的区域
• 程序计数器存储的是字节码文件的行号，而这个范围是可知晓的，在一开始分配内存时就可以分配一个绝对不会溢出的内存

2. 虚拟机栈

• 描述 Java 方法执行的线程内存模型
  • 每个方法执行时，会同步创建一个栈帧
  • 栈帧大小：
    • 一个栈帧需要分配多少内存，并不会受到程序运行期变量数据的影响，仅取决于程序源码 & 具体的栈内存布局形式
    • 在编译时已经被确定，且写入方法表的 Code 属性中
  • 栈帧存储：
    • 局部变量表
      • 存放方法参数 & 方法内部定义的 局部变量
      • 在被编译为 Class 文件时，该方法所需分配的局部变量表的最大容量已经确定，存储在 Code 属性中的 max_locals 数据项中
      • 以变量槽 [slot] 形式存储，double long 占用 2 个 slot，遵循 高位对齐，且每次使用必须同时访问 2 个变量槽，
      • 其余基本数据类型 占用 1 个 slot
      • 采用 索引定位 的形式访问局部变量表，下标从 0 开始
      • slot 可以复用，并非有多少局部变量就有多少 slot，而是如果局部变量之间互不影响，那么前面的 slot 可以被后面的复用
    • 操作数栈
      • 栈的最大深度在编译期已被写入 Code 属性中的 max_stacks 数据项中
      • 栈中每个元素可以为 包括 long & double 在内的任意数据类型，32 位数据类型所占 栈容量 == 1，64位数据类型的栈容量 == 2
      • Java 虚拟机的解释执行引擎为 基于栈的执行引擎，另一种为 基于寄存器的执行引擎
    • 动态连接
      • 栈帧的当前方法指向方法区中 运行时常量池 的一个引用，判断是运行时常量池的哪个方法，记录的是具体方法的内存地址
      • 动态连接能够在程序运行期间，将符号引用转换为具体的方法引用
      • 为什么说是动态的？
        • 牵涉到 继承 | 多态，只有在运行期间才可确定到底是哪个具体方法
      • 将符号变量的访问转换为这些变量运行时所在存储结构的偏移量
    • 方法返回地址
      • 一个方法开始执行后，只有 2 中返回方式
        • 遇到返回的字节码指令正常返回
        • 遇到异常 & 异常没有在方法中做妥善处理，此时异常调用完成
    • 附加信息
      • 允许虚拟机加入一些自定义信息到栈帧中，例如于调试、性能有关的信息，这部分完全取决于具体的虚拟机实现
  • 每个方法被调用直至执行完毕，对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈 & 出栈的过程
• 可能出现的异常
  • OOM :
    • 虚拟机栈的容量允许动态扩展时，当扩展时内存不足，则出现该异常
    • HotSpot 不允许动态扩展
      • 只要申请成功，则不会出现 OOM
      • 但若是申请就失败，则会出现 OOM
  • StackOverflow ：
    • 线程请求的栈深度超过虚拟机允许的深度

解释器

1. Javac 编译器完成了程序代码 -> 词法分析 & 语法分析 -> 抽象语法树 -> 生成字节码的过程
2. 解释器位于 虚拟机内部，完成后续部分
3. 字节码指令集分类

• 基于栈的指令集 [Java]
  • 可移植，不依赖硬件寄存器的约束
  • 代码紧凑，每个字节代表一条指令
  • 指令数量多，大量入栈出栈，执行速度稍慢

   iconst_1
   iconst_1
   iadd
   istore_0

• 基于寄存器的指令集 [x86]

mov eax, 1
add eax, 1

3. 本地方法栈

• 为虚拟机运行本地 [Native] 方法服务

• 可能出现的异常

  • OOM
  • StackOverflow

• HotSpot 中虚拟机栈 & 本地方法栈 合二为一

• 本地方法

  • Java 调用非 java 代码的接口，该方法并非 Java 实现的
  • Java 通过 JNI 来调用本地方法， 而本地方法是以库文件的形式存放的（在 WINDOWS 平台上是 DLL 文件形式，在 UNIX 机器上是 SO 文件形式）
  • 当 Java 调用的是本地方法时，虚拟机会保持 Java 栈不变，不会在 Java 栈祯中压入新的祯，虚拟机只是简单地动态连接并直接调用指定的本地方法

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线程公有

1. 堆

• 在虚拟机启动时创建
• 作用
  • 存放实例对象
  • 几乎 所有的对象实例 & 数组都在堆上创建
  • 例外：
    • 逃逸分析 - 即时编译期的优化处理
      • 栈上分配 & 标量替换
• 是垃圾收集 [GC] 主要区域
• 大小
  • 固定大小
  • 可扩展 [主流]
• 可能出现的异常
  • OOM

2. 方法区

• 存储内容：
  • 已被加载的类型信息
  • 常量
  • 类静态变量
  • 即时编译期的代码缓存
• 用 永久代实现方法区的缺点：
  • 更易造成 OOM
• HotSpot 采取措施：
  • JDK 7 将 字符串常量池 & 类静态变量 移到堆中
  • JDK 8 完全废弃永久代，将永久代剩余内容 [类型信息等] 移到本地内存的元空间中
• 可能出现的异常
  • OOM [不论是在堆中还是在本地内存中均会出现]

运行时常量池

• 存在于 已加载的类信息中
• Class 中除了存放类的版本、字段、方法等，还有一部分就是常量池表
  • 常量池表中存放编译期生成的各种字面量 & 符号引用
  • 这部分内容在类加载后会放到 方法区的运行时常量池中
• 此外，还包括
  • 运行时产生的新的常量
  • 例如，通过 String.intern() 方法产生的字符串
• 可能出现的异常
  • OOM [属于方法区的一部分，自然也会出现该异常]

直接内存

• 非虚拟机运行时数据区域
• 可能出现的异常
  • OOM
• 举例：
  • NIO 类中的 基于 通道 & 缓冲区的方式，通过 Native 函数直接分配堆外内存
  • 提高了性能，避免了 Java 堆 & Native 堆的来回复制