目录

一、运行时数据区概述

1.1 概述 

1.2 运行时数据区中的GC和OOM

二、程序计数器（PC寄存器，Program Counter Register）

2.1 介绍

2.2 作用 

2.3 特点 

2.4 使用案例

2.5 常见面试题

三、虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

四、本地方法接口

4.1 本地方法（Native Method）

4.2 为什么要使用Native Method

4.3 现状

五、本地方法栈（Native Method Stack）

5.1 本地方法栈的作用 

5.2 本地方法栈的特点 

六、堆（Heap）

七、方法区（Method Area）

八、总结 

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一、运行时数据区概述

1.1 概述 

        运行时数据区要讲的是图中粉红区域的知识。 

        Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁，生命周期与JVM相同（也是多个线程共享的）；另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁，生命周期与线程相同（也是单个线程独享的）。 

         粉色区域中，多个线程共享的模块被我们标记为红色，单个线程独享的模块被标记为灰色。

        关于运行时数据区的细节，我们可以看阿里巴巴提供的细一点的图：

         我们注意到，Java中有个类叫Runtime。每个JVM只有一个Runtime实例。即为运行时环境，相当于第一张图内存结构的中间包裹着粉色内容的那个大框框。

 1.2 运行时数据区中的GC和OOM

内存结构	是否会发生OOM	是否会发生GC
堆	√	√
方法区	√	√
虚拟机栈	√	×
本地方法栈	√	×
程序计数器	×	×

二、程序计数器（PC寄存器，Program Counter Register）

2.1 介绍

         JVM中的程序计数寄存器（Program counter Register)中， Register的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。

        这里并非是广义上所指的物理寄存器，或许将其翻译为PC计数器（或指令计数器）会更加贴切(也称为程序钩子)，并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。

2.2 作用 

        PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也是即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。

        可以理解为是一个游标，或者Java集合中迭代器一样的作用。

 

2.3 特点 

• 它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不记。也是运行速度最快的存储区域
• 在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致
• 任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址；或者，如果是在执行native方法，则是未指定值（undefned) 
• 它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成
• 字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令
• 它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOtMemoryError情况的区域

2.4 使用案例

        我们来直观看看程序计数器的作用。

        先编写一段简单的Java代码：

public class PCRegisterTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 10;
        int j = 20;
        int k = i + j;

        String s = "abc";
        System.out.println(i);
        System.out.println(k);
    }
}

         我们将其反编译，看看它的字节码

         红色框框起来的部分就叫做指令地址（偏移地址），PC寄存器中存放的就是他们。

2.5 常见面试题

• 使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢?

        因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。

• PC寄存器为什么会被设定为线程私有?

        我们都知道所谓的多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法，CPU会不停地做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢?为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器，这样一来各个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互千扰的情况。

        由于CPU时间片轮限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一条指令。这样必然导致经常中断或恢复，所以每个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器在各个线程之间互不影响。

三、虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

        要讲的太多了，写了16000多字，拆分出一篇文章专门来讲：

        JVM学习（八）：运行时数据区——虚拟机栈（字节码程度深入剖析）_玉面大蛟龙的博客

四、本地方法接口

        这并不是运行时数据区里的内存结构，而是下图中黄色部分：

4.1 本地方法（Native Method）

        简单地讲，一个Native Method就是一个Java调用非Java代码的接口。

        一个Native Method是这样一个Java方法：该方法的实现由非Java语言实现，比如C。这个特征并非Java所特有，很多其它的编程语言都有这一机制，比如在C++中，你可以用extern "C"告知C++编译器去调用一个C的函数。

"A native method is a Java method whose implementation provided by non-java code . "

        在定义一个native method时，并不提供实现体（有点像定义一个Java interface，但不是interface，也不是abstract method)，因为其实现体是由非java语言在外面实现的。

        本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序。

        我们也可以自己写一些本地方法：

public class IHaveNatives {
    public native void Native1(int x);

    public native static long Native2();

    private native synchronized float Native3(Object o);

    native void Native4(int[] ary) throws Exception;

}

         标识符native可以与所有其它的java标识符连用，但是abstract除外。

4.2 为什么要使用Native Method

        Java使用起来非常方便，然而有些层次的任务用Java实现起来不容易，或者我们对程序的效率很在意时，问题就来了。

• 与Java环境外交互

        有时Java应用需要与Java外面的环境交互，这是本地方法存在的主要原因。Java中存在需要与一些底层系统，如操作系统或某些硬件交换信息时的情况。本地方法正是这样一种交流机制：它为我们提供了一个非常简洁的接口，而且我们无需去了解Java应用之外的繁琐的细节。

• 与操作系统交互

        JVM支持着Java语言本身和运行时库，他是Java程序赖以生存的平台，它由一个解释器（解释字节码）和一些连接到本地代码的库组成。然而不管怎么样，他毕竟不是一个完整的系统，它经常依赖于一些底层系统的文持。这些底层系统常常是强大的操作系统。通过使用本地方法。我们得以用Java实现了jre与底层系统的交互，甚至JVM的一些部分就是用C写的。还有，如果我们要使用一些Java语言本身没有提供封装的的操作系统的特性时，我们也需要使用本地方法。

• Sun 's Java

        Sun的解释器是用C实现的，这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。jre大部分是用Java实现的，它也通过一些本地方法与外界交互。例如：类 java.lang.Thread 的 setPriority()方法是用Java实现的，但是它实现调用的是该类里的本地方法 setPriority0()。这个本地方法是用C实现的，并被植入JVM内部，在windows 95 的平台上，这个本地方法最终将调用win32 SetPriority() API。这个本地方法的具体实现由JVM直接提供，更多的情况是本地方法由外部的动态链接库
(external dynamic link library）提供，然后被JVM调用。

4.3 现状

        目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用。比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用socket通信，也可以使用web service等等，不多做介绍。

五、本地方法栈（Native Method Stack）

5.1 本地方法栈的作用 

        一句话就可以说清楚：Java虚拟机栈用于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。

5.2 本地方法栈的特点 

• 本地方法栈，也是线程私有的
• 允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。(在内存溢出方面是相同的)
  • 如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常
  • 如果本地方法栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈，那么Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常
• 本地方法是使用C语言实现的
• 它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库
• 当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限
  • 本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区
  • 它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器
  • 也可以直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。
• 并不是所有的JVM都支持本地方法。因为Java虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果JVM产品不打算支持native方法，也可以无需实现本地方法栈。
• 在Hotspot JVM中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一

六、堆（Heap）

        详见我的文章：JVM学习（九）：堆（万字剖析）_玉面大蛟龙的博客-CSDN博客 

七、方法区（Method Area）

        详见我的文章：JVM学习（十）：方法区_玉面大蛟龙的博客-CSDN博客

八、总结