本篇主要介绍一下，JVM 运行时数据区的内容。

概述

首先大概介绍一下下图所示的内容。JVM 运行时数据区主要分为了两大部分的内容：线程共有的方法区（Method Area）和堆（Heap）、线程私有的虚拟机栈（VM Stack），本地方法栈（Native Method Stack）和程序计数器（Program Counter Register）。在数据区下面的执行引擎中又包含了：即时编译器（JITCompiler）和垃圾收集器（GC）。GC主要用于回收线程共享的区域（方法区和堆），对于私有的内存区域则方法执行完毕后系统自动释放。（在实际的程序当中，线程私有的内存区域会有很多份）

对于整个运行时数据区而言，外部交互的模块有执行引擎、本地库接口和类加载器。

下面分别介绍一下，各个内存区域的详细信息。

• 程序计数器（Program Counter Register [私有]）：是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。① （此内存区域是唯一一个在JVM规范中没有规定任何OutOfMemoryError的区域）
• JVM栈（Java Virtual Machine Stacks [私有]）：每个方法在执行的时候都会同时创建一个栈帧。JVM栈中包含了：局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。
• 本地方法栈（Native Method Stacks [私有]）：其内存结构类似于JVM栈，不过使用到的是本地库接口。
• 堆（Heap [共享]）：堆区域是JVM内存管理里面最大的一块，几乎所有通过new出来的对象都放在此区域。在GC的过程中，绝大部分的内存回收发生在此区域。
• 方法区（Method Area [共享]）：方法区主要用于存储被JVM加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等。
• 运行时常量池（Runtime Constant Pool [方法区组成部分]）：用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用。

Java 堆

Java 堆是应用程序最为关心的内存空间，几乎所有的对象实例都存放在堆中。并且Java中的 GC 都是JVM自动管理的，开发者不需要手动释放内存空间。

下面以 HotSpot 为例，介绍一下堆的内存结构。

从上面堆的结构图可以看出，HotSpot 的堆结构包含了两大部分区域：新生代、老年代。新生代又分为：Eden区、from区、和to区，其中新创建的对象会存放在Eden区。当一次GC之后未被收集之后，对象将进入from区。from区和to区是对等的（分代收集/复制算法），其中只有一块区域可以使用。通常情况下，当GC次数达到15次之后，对象还存活的话，下一次GC时对象将进入老年代。如果新创建的对象在新生代存放不了的话，那么对象刚创建就在老年代中。

下面通过一段代码，看一下堆、方法区和栈的指向关系。

public class SimpleHeap {
	private int id;
	
	public SimpleHeap(int id) {
		this.id = id;
	}
	public void show(){
		System.out.println("My ID is " + id);
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		SimpleHeap s1 = new SimpleHeap(1);
		SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2);
		s1.show();
		s2.show();
	}
}

上述代码对应的内存引用关系如下所示：

Java 栈

Java栈是一块线程私有的内存空间。线程执行的基本行为是函数调用，每次函数调用的数据都是通过Java栈传递的。

Java栈可以类比数据结构中的栈结构。每一次函数调用都会有一个对应的栈帧压入Java栈，每个函数调用的返回，都会有一个Java栈帧的弹出。一个栈帧中，至少要包含局部变量表、操作数栈和栈数据区几个部分。如下图所示：

JVM 提供了参数 -Xss 来指定线程的最大栈空间，这个参数也决定了函数调用的最大深度。如果调用深度过大，则系统会抛出 StackOverflowError。

局部变量表

局部变量表是栈帧的重要组成部分之一。它用于保存函数的参数、局部变量。局部变量表中的变量只对当前函数调用有效。

操作数栈

操作数栈也是栈帧的重要组成之一。它主要用于保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。如下图所示：

帧数据区

帧数据区主要用于支持常量池解析、正常方法返回和异常处理等。在帧数据区中保存着访问常量池的指针，方便程序访问常量池；异常处理表也是其重要组成的一部分。

栈上分配

栈上分配是JVM提供的一项优化技术。基本思想是，对于那些线程私有的对象，可以将它们打散分配在栈上，而不是在堆上。这样以来，当方法执行结束后，栈上的对象可以自动被释放，不需要GC的介入。下面看一段代码：

/**
 * 非逃逸对象的栈上分配：大对象不适合栈上分配
 * 
 * VM Args: -server -Xmx10M -Xms10M -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:-UseTLAB -XX:+EliminateAllocations
 * 
 * @author xuefeihu
 *
 */
public class OnStackTest {
	public static class User {
		public int id = 0;
		public String name = "";
	}
	public static void alloc() {
		User u = new User();
		u.id = 5;
		u.name = "geym";
	}
	public static void main(String[] args) {
		long b = System.currentTimeMillis();
		for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
			alloc();
		}
		long e = System.currentTimeMillis();
		System.out.println(e - b);
	}
}

运行上述代码需要开启逃逸分析，运行结果如下（笔者1.8的JDK）:

???????从上图可以看出，循环分配了近 1.5G 的内存空间，而 GC 只进行了1次，且只释放了1M多的空间。从而可以看出，对象基本上都是在栈上分配的。

方法区

方法区是线程共享的内存区域，它用于保存系统的类信息，比如类的字段、方法、常量池等。

在 JDK6 或 JDK7 中，方法区可以理解为永久区（Perm）。可以使用 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 指定，默认情况下为 64M。

在 JDK8 中，永久代被移除。取而代之的是元数据区，其大小可以使用-XX:MaxMetaspaceSize 指定，它是一块堆外的直接内存。如果不指定大小，默认情况下它可以耗尽系统内存。

参考：《深入理解Java虚拟机》、《实战Java虚拟机》