Java虛擬機規范運行時資料區相關地址：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.5

JVM虛擬機規范翻譯

運行時資料區模型

在Java虛擬機中把記憶體分為若干個不同的資料區域，這些區域有各自的用途，有些區域隨著虛擬機行程啟動而存在，有些區域則依賴用戶執行緒的啟動和結束而建立和銷毀，在JVM中主要分為以下幾個區域：

程式計數器
方法區
虛擬機堆疊
本地方法堆疊
Java堆

程式計數器

作用

程式計數器記憶體占用較小，是當前執行緒執行的位元組碼的行號指示器，位元組碼解釋器就是通過這個改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的位元組碼指令，它是程式控制流的指示器，分支、回圈、調整、例外處理、執行緒恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成，

為什么是執行緒私有的？

Java虛擬機的多執行緒是通過執行緒輪流切換、分配處理器執行時間的方式來實作的，在任何一個確定時刻，一個處理器（對于多核CPU來說是一個內核）只會執行一條執行緒的指令，因此為了執行緒切換后能恢復到正確的執行位置，每條執行緒都需要一個私有的程式計數器，各條執行緒之間的計數器互不影響，獨立存盤，

為什么需要計數器？

多執行緒允許的情況下，一個執行緒中有多個指令，為了使執行緒切換可以恢復到正確的位置，每個執行緒都具有各自獨立的程式計數器，所以該區域是執行緒私有的，

如果執行的是Java方法，計數器記錄的是正在執行的虛擬機位元組碼指令的地址；如果執行的是Native方法，計數器存盤為空，這塊區域是虛擬機規范中唯一沒有OutOfMemoryError的區域，

作用

實作代碼的流程控制
多執行緒允許的情況下，記錄當前執行緒的執行位置，從而當執行緒被切換回來的時候指定該執行緒上次允許到哪兒了，

方法區（No-Heap）

方法區是一個抽象的概念，JDK7及之前被稱為“永久代”，JDK8及以后被稱為“元空間”，它用于存盤虛擬機加載的型別資訊、常量、靜態變數（JDK7及之前，JDK8及之后就把靜態變數與Class物件放到了堆中）、即時編譯器編譯(JIT)后的代碼等資料，是各個執行緒的共享記憶體區域，雖然《Java虛擬機規范》中把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫作“非堆”（Non-Heap），目的是與Java堆區分開來，

JDK8之前，很多人把方法區又稱為永久代（Permanent Generation），或將兩者混為一談，本質上是不對等的，因為僅僅是當時的HotSpot虛擬機設計團隊把收集器的分代擴展至方法區，或者說使用永久代來實作方法區而已，這樣使得HotSpot的垃圾收集器能夠像管理Java堆一樣管理這部分記憶體，省去了專門為方法區撰寫記憶體管理代碼的作業，但是這種設計更會導致Java應用更容易遇到記憶體溢位的問題（永久代有-XX:MaxPermSize的上限，即使不設定也有默認大小，而像J9和JRockit只要沒有觸碰到行程可用記憶體的上限，就不會有問題），在JDK6的時候HotSpot團隊就有放棄方法區，逐步改為采用本地記憶體（Native Memory）來實作方法區的計劃，到了JDK7已經把原本放在永久代的字串常量池、靜態變數等移出，到了JDK8就完全廢除了永久代的概念，改用JRockit、J9一樣在本地記憶體中實作的元空間（Meta-space），把JDK7中永久代剩余的內容（主要是型別資訊）全部移到元空間中，

方法區存盤每個類資訊,如:

Classloader Reference
Run Time Constant Pool
- Numeric constants
- Field references
- Method References
- Attributes
Field data
- Per field
  - Name
  - Type
  - Modifiers
  - Attributes
Method data
- Per method
  - Name
  - Return Type
  - Parameter Types (in order)
  - Modifiers
  - Attributes
Method code
- Per method
  - Bytecodes
  - Operand stack size
  - Local variable size
  - Local variable table
  - Exception table
    - Per exception handler
      - Start point
      - End point
      - PC offset for handler code
      - Constant pool index for exception class being caught
    - 類加載器參考運行時常量池 * * * * *數字常量 *欄位參考 *方法參考 *屬性
    - *領域資料 *每個欄位 *名字 *型別 *修飾符 *屬性
    - *方法資料 *每個方法 *名字 *回傳型別 *引數型別(按順序) *修飾符 *屬性
    - *方法代碼 *每個方法 *位元組碼 *運算元堆疊大小 *區域變數大小 *區域變數表 *例外表

在JDK8之前的HotSpot JVM，存放這些“永久的”區域叫做“永久代(permanent generation)”，永久代是一片連續的堆空間，在JVM啟動前通過在命令列設定引數-XX:MaxPermSize來設定永久代最大可分配的記憶體空間，默認大小為64M(64位的JVM默認是85M)，

方法區或永生代相關引數配置

-XX:PermSize=64MB最小尺寸，初始分配
-XX:MaxPermSize=256最大允許分配尺寸
按需分配-XX:+CMSClassUnloadingEnabled
-XX:+CMSPermGenSweepingEnabled設定垃圾不回收
-server選項下默認MaxPermSize為64MB，-client選項下默認MaxPermSize為32MB

Java虛擬機規范堆方法區限制非常的寬松，可選擇不垃圾回收，以及不需要連續的記憶體和可擴展的大小，這個區域主要是針對于常量池的回收以及對型別的卸載，當方法區無法分配到足夠的記憶體的時候也會報OOM，

常量池

在這里插入圖片描述

Class檔案常量池

以下使用實際代碼及反編譯Class檔案講解

反編譯命令：javap -verbose StringTest.class

public class StringTest {
    private  static String s1 = "static";
    public static void main(String[] args) {
        String hello1 = new String("hell") + new String("o");
        String hello2 = new String("he") + new String("llo");
        String hello3 = hello1.intern();
        String hello4 = hello2.intern();
        System.out.println(hello1 == hello3);
        System.out.println(hello1 == hello4);
    }
}

Classfile /E:/workspace/VariousCases/target/classes/cn/onenine/jvm/constantpool/StringTest.class
  Last modified 2021-8-3; size 1299 bytes
  MD5 checksum 338bd0034155ec3bf8d608540a31761c
  Compiled from "StringTest.java"
public class cn.onenine.jvm.constantpool.StringTest
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Class              #2             // cn/onenine/jvm/constantpool/StringTest
   #2 = Utf8               cn/onenine/jvm/constantpool/StringTest
   #3 = Class              #4             // java/lang/Object
   #4 = Utf8               java/lang/Object
   #5 = Utf8               s1
   #6 = Utf8               Ljava/lang/String;
   #7 = Utf8               <clinit>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = String             #11            // static
  #11 = Utf8               static
  #12 = Fieldref           #1.#13         // cn/onenine/jvm/constantpool/StringTest.s1:Ljava/lang/String;
  #13 = NameAndType        #5:#6          // s1:Ljava/lang/String;
  #14 = Utf8               LineNumberTable
  #15 = Utf8               LocalVariableTable
  #16 = Utf8               <init>
  #17 = Methodref          #3.#18         // java/lang/Object."<init>":()V
  #18 = NameAndType        #16:#8         // "<init>":()V
  #19 = Utf8               this
  #20 = Utf8               Lcn/onenine/jvm/constantpool/StringTest;
  #21 = Utf8               main
  #22 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #23 = Class              #24            // java/lang/StringBuilder
  #24 = Utf8               java/lang/StringBuilder
  #25 = Class              #26            // java/lang/String
  #26 = Utf8               java/lang/String
  #27 = String             #28            // hell
  #28 = Utf8               hell
  #29 = Methodref          #25.#30        // java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
  #30 = NameAndType        #16:#31        // "<init>":(Ljava/lang/String;)V
  #31 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #32 = Methodref          #25.#33        // java/lang/String.valueOf:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;
  #33 = NameAndType        #34:#35        // valueOf:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;
  #34 = Utf8               valueOf
  #35 = Utf8               (Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;
  #36 = Methodref          #23.#30        // java/lang/StringBuilder."<init>":(Ljava/lang/String;)V
  #37 = String             #38            // o
  #38 = Utf8               o
  #39 = Methodref          #23.#40        // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #40 = NameAndType        #41:#42        // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #41 = Utf8               append
  #42 = Utf8               (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #43 = Methodref          #23.#44        // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
  #44 = NameAndType        #45:#46        // toString:()Ljava/lang/String;
  #45 = Utf8               toString
  #46 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #47 = String             #48            // he
  #48 = Utf8               he
  #49 = String             #50            // llo
  #50 = Utf8               llo
  #51 = Methodref          #25.#52        // java/lang/String.intern:()Ljava/lang/String;
  #52 = NameAndType        #53:#46        // intern:()Ljava/lang/String;
  #53 = Utf8               intern
  #54 = Fieldref           #55.#57        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #55 = Class              #56            // java/lang/System
  #56 = Utf8               java/lang/System
  #57 = NameAndType        #58:#59        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #58 = Utf8               out
  #59 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #60 = Methodref          #61.#63        // java/io/PrintStream.println:(Z)V
  #61 = Class              #62            // java/io/PrintStream
  #62 = Utf8               java/io/PrintStream
  #63 = NameAndType        #64:#65        // println:(Z)V
  #64 = Utf8               println
  #65 = Utf8               (Z)V
  #66 = Utf8               args
  #67 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #68 = Utf8               hello1
  #69 = Utf8               hello2
  #70 = Utf8               hello3
  #71 = Utf8               hello4
  #72 = Utf8               StackMapTable
  #73 = Class              #67            // "[Ljava/lang/String;"
  #74 = Utf8               SourceFile
  #75 = Utf8               StringTest.java
{
  static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: ldc           #10                 // String static
         2: putstatic     #12                 // Field s1:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 11: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature

  public cn.onenine.jvm.constantpool.StringTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #17                 // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcn/onenine/jvm/constantpool/StringTest;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=5, locals=5, args_size=1
         0: new           #23                 // class java/lang/StringBuilder
         3: dup
         4: new           #25                 // class java/lang/String
         7: dup
         8: ldc           #27                 // String hell
        10: invokespecial #29                 // Method java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
        13: invokestatic  #32                 // Method java/lang/String.valueOf:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;
        16: invokespecial #36                 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":(Ljava/lang/String;)V
        19: new           #25                 // class java/lang/String
        22: dup
        23: ldc           #37                 // String o
        25: invokespecial #29                 // Method java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
        28: invokevirtual #39                 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        31: invokevirtual #43                 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
        34: astore_1
        35: new           #23                 // class java/lang/StringBuilder
        38: dup
        39: new           #25                 // class java/lang/String
        42: dup
        43: ldc           #47                 // String he
        45: invokespecial #29                 // Method java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
        48: invokestatic  #32                 // Method java/lang/String.valueOf:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;
        51: invokespecial #36                 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":(Ljava/lang/String;)V
        54: new           #25                 // class java/lang/String
        57: dup
        58: ldc           #49                 // String llo
        60: invokespecial #29                 // Method java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
        63: invokevirtual #39                 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        66: invokevirtual #43                 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
        69: astore_2
        70: aload_1
        71: invokevirtual #51                 // Method java/lang/String.intern:()Ljava/lang/String;
        74: astore_3
        75: aload_2
        76: invokevirtual #51                 // Method java/lang/String.intern:()Ljava/lang/String;
        79: astore        4
        81: getstatic     #54                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        84: aload_1
        85: aload_3
        86: if_acmpne     93
        89: iconst_1
        90: goto          94
        93: iconst_0
        94: invokevirtual #60                 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
        97: getstatic     #54                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       100: aload_1
       101: aload         4
       103: if_acmpne     110
       106: iconst_1
       107: goto          111
       110: iconst_0
       111: invokevirtual #60                 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
       114: return
      LineNumberTable:
        line 13: 0
        line 14: 35
        line 15: 70
        line 16: 75
        line 17: 81
        line 18: 97
        line 20: 114
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0     115     0  args   [Ljava/lang/String;
           35      80     1 hello1   Ljava/lang/String;
           70      45     2 hello2   Ljava/lang/String;
           75      40     3 hello3   Ljava/lang/String;
           81      34     4 hello4   Ljava/lang/String;
      StackMapTable: number_of_entries = 4
        frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 93
          locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/String, class java/lang/String, class java/lang/String, class java/lang/String ]
          stack = [ class java/io/PrintStream ]
        frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 0
          locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/String, class java/lang/String, class java/lang/String, class java/lang/String ]
          stack = [ class java/io/PrintStream, int ]
        frame_type = 79 /* same_locals_1_stack_item */
          stack = [ class java/io/PrintStream ]
        frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 0
          locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/String, class java/lang/String, class java/lang/String, class java/lang/String ]
          stack = [ class java/io/PrintStream, int ]
}
SourceFile: "StringTest.java"

運行時常量池

運行時常量池是方法區的一部分，Class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等資訊外，還有一項資訊是常量表（Constant Pool Table），用于存放編譯器生成的各種字面量和參考符號，這部分內容將在類加載后放到運行時常量池中，

運行時常量池相對于Class檔案常量池的另外一個特征是具備動態性，Java語言并不要求常量一定只有編譯期才能產生，也就是說并非預置入Class檔案中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行時期也可以將新的常量放入運行時常量池，如String#intern()方法，

既然運行時常量池是方法區的一部分，自然受到方法區的記憶體的限制，當常量池無法再申請到記憶體時，就會拋出OutOfMemoryErro例外，

全域字串常量池

HotSpot VM里，記錄intered字串的一個全域表叫做String Table，它本質上就是一個HashSet，是一個純運行時的結構，而且是惰性維護的，
只存盤對java.lang.String實體的參考，而不存盤實際的String物件，根據這個參考可以找到實際的String物件，
?

更多關于String與常量池相關的知識，單獨開一篇文章記錄，String與字串常量池的恩怨情仇

虛擬機堆疊

虛擬機堆疊是每個Java方法的記憶體模型：每個方法被執行的時候都會創建一個"堆疊幀"，用于存盤區域變數表(包括引數)、操作堆疊、方法出口等資訊，每個方法被呼叫到執行完成的程序，就對應著一個堆疊幀在虛擬機堆疊從入堆疊到出堆疊的程序，

平時說的堆疊一般指的是區域變數表部分，區域變數表存放了編譯期可知的各種Java虛擬機基本資料型別（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、物件參考（reference型別，它并不等同于物件本身，可能是一個指向物件起始地址的參考指標，也可能是指向一個代表物件的句柄或者其他與此物件相關的位置）和returnAddress型別（指向了一條位元組碼指令的地址），這些資料型別在區域變數表中以槽（slot）來表示，其中64位長度的long和double型別的資料會占用兩個變數槽，其余的資料型別只占用一個，
區域變數表所需要的空間在編譯期完成分配，當執行一個方法的時候，該方法需要在堆疊幀中分配多大的區域變數表的空間完全是可以確定的，因此在方法運行的期間不會改變區域變數表的大小，這里說的“大小”是指變數槽的數量，虛擬機真正使用多大的記憶體空間來實作一個變數槽是由具體的虛擬機實作自行決定的事情，

該區域就是我們常說的Java記憶體中的堆疊區域，該區域的區域變數表存盤的是基本型別、物件的參考型別，在物件的參考型別中存盤的是指向物件的堆空間的地址，

該區域會出現兩種例外

當執行緒請求的堆疊深度超過虛擬機允許的深度，拋出StackOverflowError例外(遞回！！！)
一般虛擬機的堆疊容量都是可以動態擴展的，當堆疊擴張時申請不多足夠的記憶體，就會拋出OOM例外（HotSpot虛擬機的堆疊容量是不允許動態擴展的，所以HotSpot虛擬機上是不會由于虛擬機堆疊無法擴展而導致OOM例外的----只要執行緒申請堆疊空間成功了就不會出現OOM，但是如果申請失敗了，仍然是會出現OOM例外的），

本地方法堆疊

本地方法堆疊（Native Method Stacks）與虛擬機堆疊發揮的作用是非常相似的，其區別不過是虛擬機堆疊為虛擬機執行Java方法（位元組碼）服務，本地方法堆疊為虛擬機使用到的native方法分為，底層呼叫的是C或者C++的方法，

《Java虛擬機規范》中對本地方法堆疊中方法使用的語言、使用方式與資料結構沒有任何強制規定，因此具體的虛擬機可以根據需要自由實作它，HotSpot虛擬機直接就把本地方法堆疊和虛擬機堆疊合二為一來使用，與虛擬機堆疊一樣本地方法堆疊也會在堆疊深度溢位或者堆疊擴展失敗時分別拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError例外，

Java堆

Java堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的記憶體中最大的一塊，Java堆是被所有執行緒共享的記憶體區域，在虛擬機啟動的時候創建，

此記憶體區域的目的就是存盤物件實體，幾乎所有的物件實體都在這里分配記憶體，從回收記憶體的角度看，由于現代垃圾收集器大部分都是基于分代理論設計的，所以Java堆中經常出現“新生代”、“老年代”、“永久代”、“Eden空間”、“From Survivor空間”、“To Survivor空間”等名詞，這些區域劃分僅僅是部分垃圾收集器的共同特性或者設計風格，而非某個Java虛擬機的具體實作的固有記憶體布局，更不是《Java虛擬機規范》里對Java堆的進一步劃分，后邊講到的G1垃圾收集器就不是基于分代理論設計的，

Java堆是執行緒共享的，它的目的是存放物件實體，同時它也是GC所管理的主要區域，因此常被稱為GC堆，根據虛擬機規范，Java堆可以存在物理上不連續的記憶體空間，就像磁盤空間邏輯上是連續的即可，它的記憶體大小可以設定為固定大小，也可以擴展，當前主流的虛擬機如HotSpot都能按擴展實作(通過設定 **-Xmx**和-Xms，默認堆記憶體大小為服務器記憶體的1/4)，如果堆中沒有記憶體完成實體分配，而且堆無法擴展，則會報OOM錯誤(OutOfMemoryError)，

新生代又分為：Eden空間、From Survivor、To Survivor空間，，進一步劃分的目的是為了更好的回收記憶體或者更快的分配記憶體，

非堆(No-Heap)

方法區
字串
代碼快取，用于快取已經被JIT編譯器編譯和快取的本地代碼

直接記憶體

直接記憶體并不是虛擬機運行時資料區的一部分，也不是《Java虛擬機規范》中定義的記憶體區域，但是這部分記憶體也被頻繁使用，而且也可能導致OOM，

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基于通道（Channel）與緩沖區
（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函式庫直接分配堆外記憶體，然后通過一個存盤在Java堆里面的
DirectByteBuffer物件作為這塊記憶體的參考進行操作，這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了
在Java堆和Native堆中來回復制資料，

本機記憶體直接記憶體分配不會受到Java堆大小的限制，但是既然是記憶體，肯定會受到物理機記憶體的限制，當我們通過-Xmx設定堆的最大記憶體時，不要忘了還有直接記憶體，如果堆記憶體設定過大，將會導致直接記憶體不夠用，導致動態擴展時發生OOM，

直接記憶體的容量大小可以通過-XX:MaxDirectMemorySize引數來指定，如果不指定，則默認與Java堆的最大值(-Xmx)一致，

直接記憶體導致的OOM不會在Heap Dump檔案中看到什么明顯的例外，如果發現記憶體溢位后的Dump檔案很小而程式中又直接或間接使用了DirectMemory（典型的間接使用就是NIO），那就可以考慮重點檢查一下直接記憶體方面的原因了，

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標籤：Java

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