深入理解Java运行时数据区_动力节点Java学院整理

Z时代
2024-01-10
分类：IT

JVM体系结构和运行时数据区概述

要理解JVM的运行时数据区，必须先要理解JVM的体系结构，因为虚拟机的体系结构基本上解释了“为什么会有这些运行时数据区” 。 JVM的体系结构如下：

由此可见，运行时数据区的划分，是和JVM的体系结构相关的。本文主要介绍运行时数据区的划分，对体系结构不做深入的讲解。简单概括一下，类加载器子系统用于将class文件加载到虚拟机的运行时数据区中（准确的说应该是方法区）。可以认为执行引擎是字节码的执行机制，一个线程可以看做是一个执行引擎的实例。下面介绍运行时数据区：

JVM运行时数据区

方法区

在字面意思上， “方法区”这个词会让人产生误解。因为方法区存放的不只是方法，它存放的是类型信息。我们在写程序的时候，几乎总是在和类，对象打交道，我们知道根据一个类可以创建对象。一般来说，我们操纵的是对象，访问对象的属性，调用对象的方法等，但是我们要思考这样一个问题，虚拟机根据什么信息知道如何创建对象的呢？当然是根据这个对象的类型信息，但是这个类型信息在哪里呢？现在我们知道是在方法区中。那么类型信息是被谁加载到方法区中的呢？由上面的体系结构图，我们可以知道是类加载器子系统？那么所谓的类型信息，都包含什么信息呢？这些信息又是如何存放的呢？这里的类型信息，可以笼统的认为就是我们前面讲解过的一个class文件，类加载器子系统将会提取class文件里面的类型信息，并将这些类型信息存放到方法区中。至于方法区中如何存放一个类型数据，是和JVM的具体实现相关的。但是不管如何实现，一个类的类型信息总是会包含如下信息：

类的全限定名

当前类的直接父类的全限定名

这个类是接口类型，类类型，还是枚举类型

类的访问修饰符信息

当前类型的超接口的全限定名

当前类型的常量池

字段信息

方法信息

如果对class文件格式比较熟悉的话，可以看出，这些信息都是在class文件中描述过的。由于我们无法看到类型信息具体是如何存储的，但是大致可以将类型信息看做一个class文件，这有助于我们的理解。下面再次列出class文件结构的表格，读者可以对比class文件中的内容到类型数据上，该表中的各种数据已经在前面的博客中详细讲解过：

类型数据中，除了这些基本信息外，类型信息还包括以下两个方面：

一个到类的ClassLoader对象的引用

一个到表示该类的Class实例对象的引用

静态变量存储区

由于之前的博客中详细介绍过class文件的格式，对上面的一些基本信息我们可能比较熟悉，但是对这两种信息就比较陌生了。其实说来也简单，每个class都是被一个类加载器加载到方法区的，类型信息中的到类的ClassLoader对象的引用，表明了当前的类是被哪个类加载器加载的，这个信息同时也标示了当前的类型的名称空间。

每当一个class文件被成功的加载到方法区中， JVM总会创建一个Class对象，来唯一标示这个类。这个Class对象可以看做是类加载过程的产物，由于它描述了整个类型信息，而Java中的反射也是针对的类型信息，所以这个Class对象是反射的基石，大多数反射API都是根据Class对象来实现的。

而静态变量也是存在于类型信息中，可以这么说，类型信息中，会有专门的区域存放类的静态变量。与存在于对象中的实例变量不同，静态变量存在于类型数据中，每个类型只有一份，所以也叫类变量。

方法区是一个相对来说比较固定的内存区，因为它存放的是类型信息，而类型信息在被加载到方法区中之后，除了必要的连接和初始化，一般不会有较大改动，一般情况下， JVM也不会卸载类型信息，所以方法区也可以称为JVM的静态区。一个类型的生命周期一般就是整个程序的生命周期。这也是为什么要慎用静态变量的原因所在，因为静态变量随类型信息存放在方法区中，生命周期很长，如果使用不当，很容易造成内存泄露。一个JVM实例中只存在一个方法区，方法区中的所有类型数据被所有线程共享。

堆

方法区是存放类型数据的，而堆则是存放运行时产生的对象的。和C++不同的是， Java只能在堆中存放对象，而不能在栈上分配对象，所有运行时产生的对象全部都存放于堆中，包括数组。我们知道，在Java中，数组也是对象。一个JVM实例中只有一个堆，所有线程共享堆中的数据（对象）。

Java虚拟机支持几种不同的创建对象的指令，如new ， anewarray等。这些指令执行的结果就是在堆中分配内存，并创建对象。但是Java虚拟机的指令集中并不包含任何释放内存的指令，因而我们也就不能手动释放内存。所有被创建的对象都会被一个叫做垃圾收集器（GC）的模块自动回收，垃圾收集器有不同的实现方式，他们以特定的方式判断对象是否过期，并以特定的方式对对象进行回收，关于垃圾收集的话题不是本文的重点，这里就不多说了。我们只要知道：所有创建的对象都存在堆中，而垃圾收集器会自动回收过期的对象，所以，JVM的堆区是垃圾收集器的“重点管理区” 。

Java栈

Java栈是一个线程的执行区域，它保存着一个线程中的方法的调用状态，也可以说，一个Java线程的运行状态，都由一个Java栈来保存。在这个栈中，每一方法对应一个栈帧，请注意区分栈帧和栈这两个概念。栈指的是整个线程的执行栈，栈帧是栈中的一个单位，每个方法对应一个栈帧。 JVM会对Java栈执行两种操作：压栈和出栈。这两种操作在执行时都是以帧（栈帧）为单位的。当调用了一个新的方法，就会压入一个栈帧，当一个方法调用完成，就会弹出这个方法的栈帧，回到调用者的栈帧。

举例来说，如果方法a调用了方法b，而方法b中调用了方法c。这个过程中的方法调用和返回的装状态是这样的（其中图中两条虚线之间表示Java栈，每个方块表示一个特定方法的栈帧）