JVM 每个区域分别存储什么数据？

JVM（Java Virtual Machine）的运行时数据区（Runtime Data Areas）被划分为几个不同的区域，每个区域都有其特定的用途和存储的数据类型。以下是 JVM 各个区域存储数据的详细说明：

1. 程序计数器 (Program Counter Register)

• 存储内容：

  • 当前线程正在执行的 Java 方法的 字节码指令的地址（行号）。
  • 如果当前线程正在执行的是 Native 方法，程序计数器的值为 undefined (空)。

• 特点：

  • 线程私有：每个线程都有自己独立的程序计数器。
  • 非常小：占用内存空间非常小。
  • 唯一：是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

• 作用：

  • 控制程序的执行流程：JVM 通过程序计数器来控制程序的执行顺序，实现分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能。
  • 线程切换：Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间来实现的。在任何一个确定的时刻，一个处理器（或一个内核）只会执行一条线程中的指令。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。

2. 虚拟机栈 (VM Stack)

• 存储内容：

  • 栈帧 (Stack Frame)： 每个方法调用都会创建一个栈帧，用于存储方法的局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法执行完毕后，栈帧会被销毁（出栈）。
    • 局部变量表 (Local Variable Table):
      • 存放方法参数和方法内部定义的局部变量。
      • 基本数据类型变量：直接存储值。
      • 引用类型变量：存储对象的引用（地址）。
      • 局部变量表的大小在编译时确定。
    • 操作数栈 (Operand Stack):
      • 一个后入先出 (LIFO) 栈，用于存放方法执行过程中的操作数和中间结果。
      • 例如，执行加法操作时，会将两个操作数压入操作数栈，然后弹出两个操作数进行计算，并将结果压入操作数栈。
    • 动态链接 (Dynamic Linking):
      • 指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。
      • 用于支持方法调用过程中的动态链接（例如，解析方法调用、接口调用等）。
    • 方法出口 (Return Address):
      • 记录方法返回时应该跳转到的指令地址。
      • 正常返回：返回到调用者的指令地址。
      • 异常返回：返回到异常处理器的指令地址。
    • 附加信息: 可能包含一些附加信息, 例如调试信息等.

• 特点：

  • 线程私有：每个线程都有自己的虚拟机栈。
  • 后入先出 (LIFO)：栈帧的创建和销毁遵循后入先出的原则。
  • 速度快：访问速度仅次于程序计数器。
  • 大小：栈的大小可以是固定的，也可以是动态扩展的。

• 异常：

  • StackOverflowError: 如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，抛出此异常（例如，无限递归调用）。
  • OutOfMemoryError: 如果虚拟机栈可以动态扩展，但无法申请到足够的内存，抛出此异常。

3. 本地方法栈 (Native Method Stack)

• 存储内容：
  • 与虚拟机栈类似，但用于支持 native 方法（使用 C、C++ 等编写的方法）的执行。
  • 存储 native 方法的局部变量、参数、返回值等信息。
• 特点：
  • 线程私有：每个线程都有自己的本地方法栈。
  • 具体的实现方式由虚拟机决定（HotSpot VM 中，本地方法栈和虚拟机栈是合二为一的）。
• 异常：
  • StackOverflowError
  • OutOfMemoryError

4. 堆 (Heap)

• 存储内容：

  • 对象实例： 几乎所有的对象实例都在堆上分配内存。
  • 数组： 数组也在堆上分配内存。

• 特点：

  • 线程共享：所有线程共享同一个堆。
  • 最大：是 JVM 中最大的一块内存区域。
  • 垃圾回收：是垃圾回收的主要区域。
  • 逻辑连续：逻辑上是连续的，物理上可以不连续。
  • 划分：通常划分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
    • 新生代：存放新创建的对象。
      • Eden 区：大多数对象首先在 Eden 区分配。
      • Survivor 区 (From Survivor 和 To Survivor)：存放经过一次 Minor GC 后仍然存活的对象。
    • 老年代：存放生命周期较长的对象，或大对象。

• 异常：

  • OutOfMemoryError: 如果堆中没有足够的内存分配给新的对象，并且堆也无法再扩展时，抛出此异常。

5. 方法区 (Method Area)

• 存储内容：

  • 类信息：
    • 类的全限定名
    • 类的父类
    • 类的接口
    • 类的修饰符
    • 类的字段信息
    • 类的方法信息
    • 类的注解信息
  • 常量：
    • 编译时常量（例如，final 修饰的基本类型或字符串字面量）。
    • 运行时常量（例如，String.intern() 方法返回的字符串）。
  • 静态变量：
    • 类变量（static 修饰的变量）。
  • 即时编译器编译后的代码 (JIT Compiled Code):
    • 热点代码（经常执行的代码）会被 JIT 编译器编译为本地机器码，并缓存在方法区中。

• 特点：

  • 线程共享：所有线程共享同一个方法区。
  • 非堆 (Non-Heap): 在 HotSpot VM 中，方法区也被称为“非堆”。
  • 永久代/元空间：
    • JDK 1.7 及之前： HotSpot VM 使用“永久代”（Permanent Generation）来实现方法区。永久代使用 JVM 内存。容易出现 OutOfMemoryError: PermGen space。
    • JDK 1.8 及之后： HotSpot VM 使用“元空间”（Metaspace）来实现方法区。元空间使用本地内存（Native Memory），不容易出现 OutOfMemoryError，但需要注意防止本地内存耗尽。
  • 运行时常量池 (Runtime Constant Pool): 方法区的一部分，存放编译期生成的各种字面量和符号引用，以及运行时产生的常量。
  • 垃圾回收： 方法区也会进行垃圾回收，主要回收废弃的常量和无用的类。

• 异常：

  • OutOfMemoryError: 如果方法区无法满足内存分配需求，抛出此异常。
  • JDK 1.7 及之前，如果永久代空间不足，会抛出 OutOfMemoryError: PermGen space。
  • JDK 1.8 及之后，如果元空间不足，会抛出 OutOfMemoryError: Metaspace。

总结:

区域	存储内容	线程共享性
程序计数器	当前线程正在执行的字节码指令的地址（行号）。如果是 Native 方法，则值为空 (Undefined)。	私有
虚拟机栈	每个方法调用对应一个栈帧。栈帧中存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。局部变量表存放方法参数和局部变量。操作数栈用于存放方法执行过程中的操作数和中间结果。	私有
本地方法栈	与虚拟机栈类似，但用于支持 native 方法的执行。	私有
堆	对象实例、数组。	共享
方法区	类信息（类名、父类、接口、字段、方法、注解等）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。运行时常量池是方法区的一部分，存放编译期生成的各种字面量和符号引用，以及运行时产生的常量。	共享