image.png运行时数据区 - 图2

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,其中一些会随着虚拟启动而创建,随着虚拟机退出而销毁。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。

灰色的为单独线程私有的,红色的多个线程共享的。

  • 每个线程:独立包括程序计数器、栈、本地栈
  • 线程间共享:堆、堆外内存(永久代或元空间、代码缓存)

程序计数器(PC寄存器)

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,寄存器存储指令想换的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能允许。

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。

作用

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

  • 它是一块很小的内存空间,几乎可以忽略不计。也是运行速度最快的存储区域。
  • 在JVM规范中,每个线程都有他自己的程序计数器,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,如果当前执行native方法,则是未指定值(undefined)。
  • 它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何outOfMemoryError情况的区域

虚拟机栈

java虚拟机栈是什么

Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack),早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈,其内部保存一个个的栈帧(Stack Frame),对应着一次次的Java方法调用。

生命周期

生命周期和线程一致

作用

主管Java程序运行,它保存方法的局部变量,部分结果,并参与方法的调用和返回

栈的特点(优点)

  • 栈是一种快速有效的分配存储方式,访问速度仅次于程序计数器
  • JVM直接对Java栈的操作只有两个
    • 每个方法执行,伴随着进栈(入栈,压栈)
    • 执行结束后的出栈工作
  • 对于栈来说不存在垃圾回收问题

栈中可能出现的异常

  • Java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。
    • 如果采用固定大小的Java虚拟机栈,那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量,Java虚拟机将会抛出一个Stack OverflowError异常。
    • 如果Java虚拟机可以动态扩展,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虚拟机栈,那Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

      设置栈内存大小

      我们可以使用参数-Xss选项来设置线程的最大栈空间,栈的大小直接决定了函数调用的最大深度。

栈的存储单元

每个线程都有自己的栈,栈中的数据都是以栈帧(Stack Frame)的格式存在。
在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧(Stack Frame)。

栈帧的内部结构

  • 局部变量表(Local Variables)
  • 操作数栈(Operand Stack)(或表达式栈)
  • 动态链接(Dynamic linking)(指向运行时常量池的方法引用)
  • 方法返回地址(Return Address)(方法正常退出或异常退出的定义)
  • 一些附加信息

局部变量表(Local Variables)

  • 局部变量表也被称为局部变量数组或本地变量表
  • 定义一个数字数组,主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量,这个数据类型包括各类基本数据类型、对象引用(Reference),以及returnAddress类型。
  • 由于局部变量表是建立在线程的栈上,是线程的私有数据,因此不存在数据安全问题。
  • 局部变量表所需容量大小是在编译期确定下来的,并保存在方法的code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。

关于slot的理解

  • 参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始的,到数组长度-1的索引结束
  • 局部变量表,最基本的存储单元是slot(变量槽)
  • 局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型,引用类型
  • 在局部变量表里,32位以内的类型只占用一个slot(包括returnAddress类型),64位的类型(long和double)占用两个slot

操作数栈(Operand Stack)

在方法执行过程中,根据字节指令,往栈中写入数据或提取数据,即入栈(push)/出栈(pop)

栈顶缓存技术

将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中,以此降低对内存的读/写次数,提升执行引擎的执行效率。