java编程思想解读

Posted 2020-09-25

运行时数据区域 Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区 域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而 存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如图2-1所 示。
图　2-1　Java虚拟机运行时数据区
2.2.1　程序计数器 程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线 程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能 会通过一些更高效的方式去实现），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，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。 由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的， 在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线 程中的指令。因此，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，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私 有”的内存。 如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指 令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域 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。
2.2.2　Java虚拟机栈 与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的 生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时 都会创建一个栈帧（Stack Frame[1]）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口 等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出 栈的过程。 经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗 糙，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最 关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“堆”笔者在后面会专 门讲述，而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、 float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对 象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和 returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。 其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据 类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这 个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变 量表的大小。 在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚 拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部 分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如 果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。 [1]栈帧是方法运行时的基础数据结构，在本书的第8章中会对帧进行详细讲解。
2.2.3　本地方法栈 本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间 的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚 拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式 与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如 Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法 栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。