(1)程序计数器
程序计数器主要有两个作用:
字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令,从而实现代码的流程控制,如:顺序执行、选择、循环、异常处理。
在多线程的情况下,程序计数器用于记录当前线程执行的位置,从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。(另外,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。)
⚠️ 注意 :程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域,它的生命周期随着线程的创建而创建,随着线程的结束而死亡。
(2)虚拟机栈
与程序计数器一样,Java 虚拟机栈(后文简称栈)也是线程私有的,它的生命周期和线程相同,随着线程的创建而创建,随着线程的死亡而死亡。
栈绝对算的上是 JVM 运行时数据区域的一个核心,除了一些 Native 方法调用是通过本地方法栈实现的(后面会提到),其他所有的 Java 方法调用都是通过栈来实现的(也需要和其他运行时数据区域比如程序计数器配合)。
方法调用的数据需要通过栈进行传递,每一次方法调用都会有一个对应的栈帧被压入栈中,每一个方法调用结束后,都会有一个栈帧被弹出。
栈由一个个栈帧组成,而每个栈帧中都拥有:局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址。和数据结构上的栈类似,两者都是先进后出的数据结构,只支持出栈和入栈两种操作。
(3)本地方法栈
和虚拟机栈所发挥的作用非常相似,区别是: 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 (也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。
本地方法被执行的时候,在本地方法栈也会创建一个栈帧,用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。
方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间,也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种错误。
(4)堆
Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块,Java 堆是所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。
Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称作 GC 堆(Garbage Collected Heap)。从垃圾回收的角度,由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法,所以 Java 堆还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点有:Eden、Survivor、Old 等空间。进一步划分的目的是更好地回收内存,或者更快地分配内存。
在 JDK 7 版本及 JDK 7 版本之前,堆内存被通常分为下面三部分:
新生代内存(Young Generation)
老生代(Old Generation)
永久代(Permanent Generation)
下图所示的 Eden 区、两个 Survivor 区 S0 和 S1 都属于新生代,中间一层属于老年代,最下面一层属于永久代。
JDK 8 版本之后 PermGen(永久) 已被 Metaspace(元空间) 取代,元空间使用的是直接内存 (我会在方法区这部分内容详细介绍到)。
大部分情况,对象都会首先在 Eden 区域分配,在一次新生代垃圾回收后,如果对象还存活,则会进入 S0 或者 S1,并且对象的年龄还会加 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1),当它的年龄增加到一定程度(默认为 15 岁),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。
(5)方法区
方法区属于是 JVM 运行时数据区域的一块逻辑区域,是各个线程共享的内存区域。
《Java 虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用,方法区到底要如何实现那就是虚拟机自己要考虑的事情了。也就是说,在不同的虚拟机实现上,方法区的实现是不同的。
当虚拟机要使用一个类时,它需要读取并解析 Class 文件获取相关信息,再将信息存入到方法区。方法区会存储已被虚拟机加载的 类信息、字段信息、方法信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
方法区和永久代以及元空间是什么关系呢? 方法区和永久代以及元空间的关系很像 Java 中接口和类的关系,类实现了接口,这里的类就可以看作是永久代和元空间,接口可以看作是方法区,也就是说永久代以及元空间是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的两种实现方式。并且,永久代是 JDK 1.8 之前的方法区实现,JDK 1.8 及以后方法区的实现变成了元空间。
JDK 1.7 为什么要将字符串常量池移动到堆中?
主要是因为永久代(方法区实现)的 GC 回收效率太低,只有在整堆收集 (Full GC)的时候才会被执行 GC。Java 程序中通常会有大量的被创建的字符串等待回收,将字符串常量池放到堆中,能够更高效及时地回收字符串内存。