探索JAVA神秘运行机制：揭秘JVM内存区域

1. 前文回顾

2.内存区域的划分

2.1 存放类的方法区

2.2 程序计数器

2.3 Java虚拟机栈

2.4 Java堆内存

2.5 其他内存区域

3. 核心内存区域运行流程

4. 总结

1. 前文回顾

上一篇我们一起探索了Java的整体运行流程，类加载器以及类的加载机制，了解了从编译打包后生成的字节码文件，JVM启动后，类的加载时机，加载之后验证，准备，解析都是做什么的，以及尤为重要的是准备阶段和初始化阶段，是如何为类分配内存空间的？然后类加载器的规则是什么？来看下下图，简单回顾下内容

2.内存区域的划分

接上一篇的问题，我们编写的类在内存中到底是什么样子的，又是如何进行划分的呢？在看之前想一个问题，我们都知道，就是我们要用的类通过类加载器加载后，在内存中会分配一块空间出来进行存储，我们看一个类，主要分为类名称、属性、方法、代码块这几个部分，那么他们在内存中是如何存储的，是统一的放到一起，还是分开来放的？我们执行的代码，调用的方法是不是要一个个的执行他们在内存中是如何进行的，方法中的变量是不是要放到一起？我们带着这些问题，一起来看下内存区域的划分。

2.1 存放类的方法区

这个方法区是在JDK1.8以前的版本里，代表JVM中的一块区域。主要是放从".class"文件里加载进来的类，还会有一些类似常量池的东西放在这个区域里。但是在JDK1.8以后，这块区域的名字改了，叫做"Metaspace"，可以认为是"元数据空间”这样的意思。当然这里主要还是存放我们自己写的各种类相关的信息(主要是包括类信息、常量、静态变量等类的结构信息)。其实，我倒是认为jdk1.8 升级后，改的名字更加的贴切，元数据信息空间，也就是主要存储类的元数据信息。

2.2 程序计数器

程序计数器这个的概念理解，其实说的简单点就是：我们写好的Java代码会被翻译成字节码，对应各种字节码指令。所以当JVM加载类信息到内存之后，实际就会使用自己的字节码执行引擎，去执行我们写的代码编译出来的代码指令，而在执行的过程中，由于是多个线程执行的，为了保证每个线程执行的不错误，能够方便的知道执行到那个字节码位置，需要有一个东西来记录下他们执行的位置，这个就引出来“程序计数器” 这一个概念了。那么我们现在明确了"程序计数器”这个概念：用来记录当前执行的字节码指令的位置的，也就是记录目前执行到了哪一条字节码指令。

2.3 Java虚拟机栈

这个Java虚拟机栈概念也很好理解，我先一步一步的引入这个概念，首先我们都知道Java代码在执行的时候，一定是线程来执行某个方法中的代码，就是最主要的main线程执行main()方法的代码指令的时候，也会通过main线程对应的程序计数器记录自己执行的指令位置。但是呢，在执行方法内部是时候，我们通常会定义一些局部变量出来，此时问题来，我们用的这些局部变量，每个线程执行这个方法的时候都会使用这个局部变量，是不是要有个地方用来储存吧，因此，JVM必须有一块区域是来保存每个方法内的局部变量等数据的，这个区域就是Java虚拟机栈。

每个线程都有自己的Java虚拟机栈，比如这里的main线程就会有自己的一个Java虚拟机栈，用来存放自己执行的那些方法的局部变量。如果线程执行了一个方法，就会对这个方法调用创建对应的一个栈帧，栈帧里面包含的有方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等东西，这里大家先不用全都理解，我们先关注局部变量。

比如main线程执行了main()方法，那么就会给这个main()方法创建一个栈帧，压入main线程的Java虚拟机栈，同时在main()方法的栈帧里，会存放对应的"replicaManager"局部变量，我们称之为把局部变量压入栈帧, 等到方法执行完毕后，局部变量就会从这个Java虚拟机栈里面出栈。这个就是我们平常使用方法内部的局部变量的执行过程。

简单的理解这个是我们写的类里面执行的方法，中间使用到的局部变量这些东西，有个客栈或者理解成工具箱，专门储存这些东西，等到方法执行的时候，会把局部变量进来，等待使用，使用完了就移除来了，这个过程就是局部变量的入栈出栈。

2.4 Java堆内存

我们前面说了，Java的类结构等信息存在了方法区，线程执行的字节码执行的位置信息在程序计数器中，类的方法内局部变量信息在运行时，存储在Java虚拟机栈中，那么还剩下什么呢？我们类写好了，也都已经加载完了，但是我们还有个操作是什么呢？对象的实例化，对象实例化我们放在那呢？JVM也为我们想到了，这块区域就是堆内存。Java堆内存，这里就是存放我们在代码中创建的各种对象的。

public class Kafka {
    public static void main(String[] args){
        ReplicaManager replicaManager = new ReplicaManager();
        replicamanager.loadReplicasFromDisk();
    }
}

我们在代码中用的时候呢，其实是结合着来的，Java堆内存是存放实例化的对象，例如，我们写的代码执行的main() 方法，里面的局部变量被放入到了Java虚拟机栈中，然后又进行了实例化对象，Java堆内存区域里会放入类似ReplicaManager的对象，然后我们因为在main方法里创建了ReplicaManager对象的，那么在线程执行main方法代码的时候，就会在main方法对应的栈顿的局部变量表里，让一个引用类型的"replicaManager"局部变量来存放ReplicaManager对象的地址。相当于你可以认为局部变量表里的"eplicaManager"指向了Java堆内存里的ReplicaManager对象。

2.5 其他内存区域

上面说了平常我们主要用到的一些区域，我们其实还有其他的一些区域，比如IO相关的，NIO相关的，网络Socket相关的，如果大家去看他内部的源码，会发现很多地方都不是Java代码了，而是走的native方法去调用本地操作系统里面的一些方法，可能调用的都是c语言写的方法，或者一些底层类库，比如下面这样的：public native int hashCode()；在调用这种native方法的时候，就会有线程对应的本地方法栈，这个里面也是跟Java虚拟机栈类似的，也是存放各种native方法的局部变量表之类的信息。

还有一个区域，是不属于JVM的，通过NIO中的alocateDirect这种AP，可以在Java堆外分配内存空间。然后，通过Java虚拟机里的DirectByteBuffer来引用和操作堆外内存空间。其实很多技术都会用这种方式，因为有一些场景下，堆外内存分配可以提升性能。

3. 核心内存区域运行流程

jvm内存区域的划分，我们已经讲完了，那么我串起来整体过下他的流程，这样就更能加深印象，先来一个图：

根据上图我们再来一段代码，整体的说下流程：

public class Kafka {
    public static void main(String[] args){
        ReplicaManager replicaManager = new ReplicaManager();
        replicamanager.loadReplicasFromDisk();
    }

    public class ReplicaManager{
        private long replicaCount;
        public void loadReplicasFromDisk(){
            Boolean hasFinishedLoad = false;
            if(isLocalDatacorrupt()) {}
        }
        public Boolean isLocalDatacorrupt(){
            Boolean isCorrupt = false;
            return isCorrupt;
        }
    }
}

我们一起来看下上面的过程，首先，你的JVM进程会启动，就会先加载你的Kaika类到内存里。然后有一个main线程，开始执行你的Kaika中的main()方法。main线程是关联了一个程序计数器的，那么他执行到哪一行指令，就会记录在这里。其次，就是main线程在执行main()方法的时候，会在main线程关联的Java虚拟机栈里，压入一个main()方法的栈帧。接着会发现需要创建一个ReplicaManager类的实例对象，此时会加载ReplicaManager类到内存里来。然后会创建一个ReplicaManager的对象实例分配在Java堆内存里，并且在main()方法的栈帧里的局部变量表引入一个“replicaManager”变量，让他引用ReplicaManager对象在Java堆内存中的地址。接着，main线程开始执行ReplicaManager对象中的方法，会依次把自己执行到的方法对应的栈顿压入自己的Java虚拟机栈，执行完方法之后再把方法对应的栈顿从Java虚拟机栈里出栈。

其实大家理解了这个过程，那么JVM中的各个核心内存区域的功能和对应的我们的Java代码之间的关系，就彻底理解了。

4. 总结

好了，最后我们做个总结，JVM为我们把各个地方的区域都做好了设计，我们最后来梳理下：（1）方法区：Java类的结构信息，元数据存储区域；

（2）程序计数器：用来记录当前执行的字节码指令的位置的；

（3）Java虚拟机栈：用来保存每个方法内的局部变量等数据的；

（4）Java堆内存：用来存放我们在代码中创建的各种对象的；

（5）其他的内存区域：本地方法栈、堆外内存；

经过内存区域的划分了解，我们知道了JVM是如何对内存进行划分的，了解了Java的类中各个部件在内存中是如何存储的？我们解决了存储的问题。那么，他在运行过程中又是如何进行调用这些数据的，调用过程中又是如何进行回收的呢？会不会出现内存溢出，又是如何处理的呢？我们带着这些疑问，等到下一篇文章在说，JVM的垃圾回收机制来解答。