17张图带你了解，JVM运行时数据区

开篇

众所周知，Java程序的执行需要依赖于JVM（Java 虚拟机）。JVM 会将Java源代码编译成字节码文件，然后使用类加载器将其加载到运行时数据区中执行，垃圾收集器也会针对运行时数据区进行对象回收的工作。今天就来说说JVM的运行时数据区。

运行时数据区概述

在计算机世界中，内存是十分重要的系统资源，它承载着操作系统和应用程序实时运行的责任。JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，从而保证了JVM的高效稳定运行。

Java虚拟机在执行Java程序的过程中，会将涉及到的数据划分到不同的内存区域去管理，在这些数据区域，有些是随着虚拟机启动而创建，虚拟机关闭而销毁。还有一部分是随着线程生命周期创建销毁的。这部分区域就是接下来要讲的Java虚拟机的运行时数据区。

图1 运行时数据区

如图1所示，红色的部分就是运行时数据区，它包括：方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈以及程序计数器五个部分。

图1中标注为黄色的方法区和堆是线程间共享的，也就是说它们会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。橙色部分为每个线程单独享有的，即它们与线程是一一对应的，会随着线程开始和结束而创建和销毁。在HotSpot JVM中，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射，例如：有一个Java线程准备好执行时，就有一个操作系统的本地线程被创建并且与Java 线程对应，当Java线程执行终止后，本地线程也会被回收。同时操作系统负责线程调度，及分配对应的CPU执行线程，一旦操作系统的本地线程初始化成功，它就会调用Java线程中的的run（）方法去执行Java线程。

褐色部分的执行引擎就负责读取指令并且交由CPU执行，它包括解释器、JIT（即时编译器），GC（垃圾回收器）。而另外一个褐色的本地库接口会提供Java程序调用的native方法。

另外，运行时数据区的划分也随着JDK的发展不断变迁，如图2 所示， JDK 1．6、JDK 1．7、JDK 1．8 的内存划分都会有所不同。

图2 运行时数据区的变迁

如图2 所示，在JDK 1．8 中加入了元数据区的概念，将原来保存在方法区中的运行时常量池和类常量池都包括其中。

虚拟机栈

上面介绍了JVM 运行时数据区的概念和组成，接下来一次介绍每个组成部分，首先从虚拟机栈开始。

每个Java线程都会对应一个虚拟机栈，换句话说多个线程就对应多个虚拟机栈。上面讲过了虚拟机栈是线程私有，虚拟机栈中包含多个栈帧（Stack Frame），每一个栈帧是为方法执行而创建的，栈帧中描述的是Java方法执行的内存模型。每个方法从调用开始直到完成的全过程都对应着一个栈帧。栈帧是用来管理Java程序的运行，并保存方法的局部变量、部分结果、并参与方法的调用与返回。在活动线程中，只有一个栈帧是处于活跃状态的，也就是说只有位于栈顶的栈帧才是有效的，称为当前栈帧，与这个栈帧相关联的方法称为当前方法。执行引擎运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。

如图3 所示，每个Java 方法都会对应一个栈帧，左边的四个方法就对应了四个栈帧，从下往上依次是方法调用的顺序，最终方法1 会调用方法4， 此时正在执行方法4 ，它对应的栈帧4 就是“当前栈帧”，就是出于活跃状态的，其包含了局部变量表、操作数栈、动态链接以及返回地址等信息。

图3 栈帧结构

局部变量表

它定义为数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方体内的局部变量，包含基本数据类型，对象引用，以及returnAddress类型。它建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据的安全问题。

局部变量表所需的容量在编译期间确定，在运行期间是不改变其容量。方法嵌套调用的次数由栈的容量来决定，例如图3就进行了4个方法的嵌套，也就是说栈越大，方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言，它的参数和局部变量越多，对应的栈帧就越大。因此，函数调用就会占用更多的栈空间。局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递。当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。

操作数栈

它是一个后进先出的栈，在方法执行的过程中，根据字节码指令、往栈中写入或取出数据，即入栈／出栈。字节码指令将值压入操作栈，其余的字节码指令将操作数取出栈，进行操作之后再将结果压入栈。操作包括：复制、交换、求和等。

这样讲比较抽象，来看一个具体的例子。

如图4 所示，生成一个testAdd 方法，给变量i和j 分别赋值为1 和2 ，然后让其相加并且把结果赋值给k。

图4 操作数栈代码

使用jclasslib反编译上面的代码得到图5 的结果。

图5 jclasslib反编译结果

如图6 所示，当执行地址 0 的时候操作指令为bipush，此时程序寄存器的地址显示为0 ，bipush 命令将 1 压入到操作数栈的顶部。

图6

如图7 所示，当指令地址到2 的时候，程序寄存器显示为2， 此时执行istore＿1 的指令，将栈顶的数字1 保存到局部变量表中。

图7

如图8所示，指令地址执行到3 的时候，程序寄存器为3 ， bipush指令把2 压入到操作数栈的顶部。

图8

在指令地址为5 的时候，程序寄存器的值为5， istore＿2指令将操作数栈中的2 保存到局部变量表中的2 的位置。

图9

如图10所示，指令地址为6 的时候，执行iload＿1 指令获取局部变量表中 位置为1 的值，也就是1 并且把它放到操作数栈的顶部。

图10

如图11所示，指令地址为7 的时候，执行iload＿2 指令，从局部变量表2 的位置取出值2 放到操作数栈的顶部。

图11

如图12 所示，在指令地址为8 时，执行iadd 指令，将操作数栈的两个数字1和2 相加结果为3，并且将其放到操作数栈的顶部。

图12

如图13 所示，接着执行指令地址 9 ， istore＿3 执行之后将操作数栈顶的3 保存到局部变量表3 的位置，完成相加的操作，最后通过指令地址10 中的return指令返回方法。

图13