转载

图解Java：技术体系与运行时数据区

2020年初的疫情终于有所好转，这段时间里，啾啾也宅在家中也在持续学习，现在终于按捺不住想要出去谋求一份工作，来赚一些钱买零食。

图解Java：技术体系与运行时数据区

概述

很多初学者都会纠结一个问题，选一门什么语言作为自己的主力语言。虽然议论这个很容易陷入语言战争，但我个人推荐Java。虽然每过几年都会有声音唱衰Java，而且其间存在一种“Java老掉牙了，我们年轻人不能这么不酷，现在还学Java都是老古板”的心态，我认为这种逻辑属实憨憨。

因为这个系列主要是为了讲解JVM（Java虚拟机），那么关于Java的优势在这里我就不再赘述了，当你有兴趣点开这个标题，那么我就默认你认可Java这门语言，并且想要深入学习。

目前市场上很多初级Java工程师，每天都在做一些重复性的增删改差工作，其中一部分人就会产生这样的印象：Java天花板太低，就是CRUD，用用框架、调调API，实在是简单和无聊。

图解Java：技术体系与运行时数据区

Java的生态丰富是它一个极大的优势，它为应用层开发人员省去了大量的基础构建工作。此外，JVM的存在，屏蔽了底层机器和操作系统的差异，这也使得Java看上去“简单”了不少。但是，在日常工作的经验积累之中，我越发觉得JVM是初级开发向着中级开发的一个分水岭，假如你能够更加深入地理解JVM的设计与工作原理，就能写出最适合虚拟机运行和自优化的代码。此外，在进行故障排查时，拥有JVM相关知识能够帮助你快速定位与解决问题。

这些对自己的工作能力以及技术视野，都是一个很大的提升。

图解Java：技术体系与运行时数据区

Java技术体系

图解Java：技术体系与运行时数据区

这张图罗列得非常清楚。首先不要被这一堆名词吓到，并不是其中所有内容都要完全掌握的，我们只需要学习其中的重点。

基本概念我们要牢记，可以看到两个包含关系：JRE包含JavaSE API；JDK包含JRE。JRE是支持Java程序运行的标准环境，JDK是用于支持Java程序开发的最小环境。

众所周知，Java最初流行的原因之一就在于他的自动内存管理，开发人员不再需要手动地分配并且释放内存，这让上层开发人员觉得很舒服，但一切真的这么美好吗？

一个只会在应用层编写CRUD代码的程序员往往觉得自己已经掌握了Java，并能够流畅地使用它来编写一些程序，但是一旦面临内存泄漏和溢出的问题，可能就会束手无策了。如果长期处于这个阶段，那么升职涨薪确实是一件难事。这篇文章将向你介绍Java自动内存管理中Java内存区域。

JVM运行时数据区

这篇文章要讲的重点，就是运行时数据区。

程序在运行时，必然会产生大量的数据，面对这些数据，JVM是如何维护的？JVM划分了若干区域，来管理不同性质的数据，使一切变得更加井井有条。

首先来看这张图（相信大家已经看到过很多次了）：

图解Java：技术体系与运行时数据区

在这张图中，我们可以了解如何通过参数来控制各区域的内存大小:

图解Java：技术体系与运行时数据区

程序计数器

程序计数器在图中占了比较大的一块区域，看上去空间似乎是“虚拟机栈”和“本地方法栈”的空间之和？千万不要这么去理解，这只是绘图的问题，事实上程序计数器只占用较小的一块内存空间。

它主要用来指示当前线程执行字节码的行号，通过改变程序计数器指向的值，来不断读取下一条字节码指令。

可以这么理解，程序计数器主要负责程序控制流。因为一个程序计数器控制一条线程的执行状态，所以当多条线程在并发或并行时，每条线程都会拥有自己的程序计数器，我们把这种性质叫做“线程私有”，图中用白色区域来标示“线程隔离的数据区”，是一个意思。

程序计数器不会抛出OutOfMemory Error，这是因为程序运行过程中计数器中改变的只是值，而不会随着程序的运行需要更大的空间，也就不会发生溢出情况

图解Java：技术体系与运行时数据区

引申：CPU内部的寄存器中就包含一个指令计数器（Program Counter，PC），存放程序执行的下一条指令地址。在程序开始执行前，将程序指令序列的起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地址送入PC，CPU按照PC的地址从内存中读取第一条指令。每一条指令执行时，CPU会自动修改PC的量至下一条指令的地址，指令之间的跳转离不开PC。JVM内存中的程序计数器也是一样的作用，它储存JVM当前执行字节码的地址。

虚拟机栈

继续来看线程隔离的数据区。当一个线程在执行Java代码，每个方法将要被执行时，都会生成一个栈帧，每个栈帧中存放着局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法被真正调用的时候，表现为该栈帧入栈与出栈，而存放这些栈帧的内存空间，就是虚拟机栈。

图解Java：技术体系与运行时数据区

每一个虚拟机栈与当前线程的生命周期一致，所以是“线程私有”的。

需要注意的是，上文提到了虚拟机栈中将存放局部变量表，局部变量表中只能存放编译期可知的8种Java基本数据类型、对象引用（指向对象本身的起始地址）以及返回类型（指向下一条字节码指令的地址）由于局部变量表在编译期就完全确定，所以它的大小是固定的，不会在运行时进行调整。

虚拟机栈可能抛出两种异常情况，第一种是著名的StackOverFlow Error，如果栈深度大于JVM允许的深度，将会抛出此异常，比如在一些递归调用中，假如跳出条件控制得不好，很容易发生此异常。

第二种还是著名的OutOfMemory Error，假如虚拟机栈容量可以动态扩展（取决于虚拟机类型），当虚拟机栈无法动态获取到更多的内存空间，将会抛出此异常。假如虚拟机栈不允许动态扩展（比如HotSpot虚拟机），当虚拟机栈在申请空间时就失败，也会抛出OutOfMemory Error。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈的作用是一样的，唯一的区别在于虚拟机栈用于存放Java方法的栈帧，而本地方法栈存放的是本地方法（Native Method）的栈帧。什么是Native Method？简单来说就是一个接口，用于在Java程序中调用非Java方法。

本地方法的作用主要为以下三点：

* 为了使用底层机器的某个特性，而这个特性Java API并不提供。

* 为了调用一个老的系统或者库，这个库不是用Java编写的。

* 为了增强程序的性能，将一段时间敏感的代码通过本地方法实现。

图解Java：技术体系与运行时数据区

堆

Java堆是虚拟机是运行时数据区中所占内存空间最大的一个部分。可以看到，堆属于所有线程共享的数据区，主要用来存放Java对象，几乎所有的对象实例以及数组都会在堆中分配空间。之所以说“几乎”是因为随着Java的发展，这一点已经渐渐不再那么绝对了。

堆被垃圾回收器管理着，因为大部分垃圾回收器都是按照分代的思想设计，所以从逻辑上，堆又被分为多个区域。但需要注意的是，这是从垃圾回收器的角度而言的，并非堆本身一定要被分代。（这部分会在后面垃圾回收的章节中详细讲解）

堆的空间大小多数情况下都会被设定成可拓展的，一旦没有空间来进行分配，将会抛出OutOfMemory Error。

方法区

方法区容易和虚拟机栈混淆，因为方法区并不是存储“方法”，而虚拟机栈是存储和方法有关的栈帧的。

方法区主要用来存储已被JVM加载的类型信息、常量、静态变量、JIT编译后的缓存数据等。HotSpot初期设计团队为了简便，以设计Java堆永久代的方式来设计方法区，这样能够使得垃圾回收器能够像面对永久代一样回收垃圾。但是这并不等同于方法区就等价于永久代，事实上这是两个不在同一层面的概念。后来的经验证明，HotSpot初期这样的设计并不完善。在JDK6之后，HotSpot团队放弃永久代，采用本地内存来重构了方法区。

方法区由于存储的多为一些静态数据，所以在方法区上进行垃圾回收效果是比较差的，但有时候又是必要的，如果方法区无法进行新的内存分配，将会抛出OutOfMemory Error。

图解Java：技术体系与运行时数据区