前情回顧

在本專欄的前12篇博客中，我們主要大致介紹了什么是JVM，并且詳細介紹了class文件的格式。對于深入理解Java，或者深入理解運行于JVM上的其他語言，深入理解class文件格式都是必須的。如果讀者對class文件的格式不是很熟悉，在閱讀本博客下面的文章之前，建議先讀一下前面的12篇博客，或者參考其他資料，熟悉class文件的格式。

在深入理解Java虛擬機到底是什么這篇博客中，我們有提到過， JVM就是一個特殊的進程，我們執(zhí)行的java程序，都運行在一個JVM進程中，這個進程的作用就是加載class文件，并且執(zhí)行class文件中的代碼。當然，從一個class文件的加載，到準備好可執(zhí)行之前，還有一段很長的路要走，以后的文章會詳細介紹這個過程。既然虛擬機作為一個虛擬的計算機，來執(zhí)行我們的程序，那么在執(zhí)行的過程中，必然要有地方存放我們的代碼（class文件）；在執(zhí)行的過程中，總會創(chuàng)建很多對象，必須有地方存放這些對象；在執(zhí)行的過程中，還需要保存一些執(zhí)行的狀態(tài)，比如，將要執(zhí)行哪個方法，當前方法執(zhí)行完成之后，要返回到哪個方法等信息，所以，必須有一個地方來保持執(zhí)行的狀態(tài)。上面的描述中， “地方”指的當然就是內存區(qū)域，程序運行起來之后，就是一個動態(tài)的過程，必須合理的劃分內存區(qū)域，來存放各種數據。所以，在本文中，將會詳細介紹JVM的運行時數據區(qū)。

JVM體系結構和運行時數據區(qū)概述

要理解JVM的運行時數據區(qū)，必須先要理解JVM的體系結構，因為虛擬機的體系結構基本上解釋了“為什么會有這些運行時數據區(qū)” 。在深入理解Java虛擬機到底是什么這篇文章中也簡單的提到過JVM的體系機構，這里再詳細的講解一下。 JVM的體系結構如下：

由此可見，運行時數據區(qū)的劃分，是和JVM的體系結構相關的。本文主要介紹運行時數據區(qū)的劃分，對體系結構不做深入的講解。簡單概括一下，類加載器子系統(tǒng)用于將class文件加載到虛擬機的運行時數據區(qū)中（準確的說應該是方法區(qū)）。可以認為執(zhí)行引擎是字節(jié)碼的執(zhí)行機制，一個線程可以看做是一個執(zhí)行引擎的實例。下面介紹運行時數據區(qū)：

JVM運行時數據區(qū)

方法區(qū)

在字面意思上， “方法區(qū)”這個詞會讓人產生誤解。因為方法區(qū)存放的不只是方法，它存放的是類型信息。我們在寫程序的時候，幾乎總是在和類，對象打交道，我們知道根據一個類可以創(chuàng)建對象。一般來說，我們操縱的是對象，訪問對象的屬性，調用對象的方法等，但是我們要思考這樣一個問題，虛擬機根據什么信息知道如何創(chuàng)建對象的呢？當然是根據這個對象的類型信息，但是這個類型信息在哪里呢？現在我們知道是在方法區(qū)中。那么類型信息是被誰加載到方法區(qū)中的呢？由上面的體系結構圖，我們可以知道是類加載器子系統(tǒng)？那么所謂的類型信息，都包含什么信息呢？這些信息又是如何存放的呢？這里的類型信息，可以籠統(tǒng)的認為就是我們前面講解過的一個class文件，類加載器子系統(tǒng)將會提取class文件里面的類型信息，并將這些類型信息存放到方法區(qū)中。至于方法區(qū)中如何存放一個類型數據，是和JVM的具體實現相關的。但是不管如何實現，一個類的類型信息總是會包含如下信息：

類的全限定名
當前類的直接父類的全限定名
這個類是接口類型，類類型，還是枚舉類型
類的訪問修飾符信息
當前類型的超接口的全限定名
當前類型的常量池
字段信息
方法信息

如果對class文件格式比較熟悉的話，可以看出，這些信息都是在class文件中描述過的。由于我們無法看到類型信息具體是如何存儲的，但是大致可以將類型信息看做一個class文件，這有助于我們的理解。下面再次列出class文件結構的表格，讀者可以對比class文件中的內容到類型數據上，該表中的各種數據已經在前面的博客中詳細講解過：

類型數據中，除了這些基本信息外，類型信息還包括以下兩個方面：

一個到類的ClassLoader對象的引用
一個到表示該類的Class實例對象的引用

靜態(tài)變量存儲區(qū)

由于之前的博客中詳細介紹過class文件的格式，對上面的一些基本信息我們可能比較熟悉，但是對這兩種信息就比較陌生了。其實說來也簡單，每個class都是被一個類加載器加載到方法區(qū)的，類型信息中的到類的ClassLoader對象的引用，表明了當前的類是被哪個類加載器加載的，這個信息同時也標示了當前的類型的名稱空間。

每當一個class文件被成功的加載到方法區(qū)中， JVM總會創(chuàng)建一個Class對象，來唯一標示這個類。這個Class對象可以看做是類加載過程的產物，由于它描述了整個類型信息，而Java中的反射也是針對的類型信息，所以這個Class對象是反射的基石，大多數反射API都是根據Class對象來實現的。

而靜態(tài)變量也是存在于類型信息中，可以這么說，類型信息中，會有專門的區(qū)域存放類的靜態(tài)變量。與存在于對象中的實例變量不同，靜態(tài)變量存在于類型數據中，每個類型只有一份，所以也叫類變量。

方法區(qū)是一個相對來說比較固定的內存區(qū)，因為它存放的是類型信息，而類型信息在被加載到方法區(qū)中之后，除了必要的連接和初始化，一般不會有較大改動，一般情況下， JVM也不會卸載類型信息，所以方法區(qū)也可以稱為JVM的靜態(tài)區(qū)。一個類型的生命周期一般就是整個程序的生命周期。這也是為什么要慎用靜態(tài)變量的原因所在，因為靜態(tài)變量隨類型信息存放在方法區(qū)中，生命周期很長，如果使用不當，很容易造成內存泄露。一個JVM實例中只存在一個方法區(qū)，方法區(qū)中的所有類型數據被所有線程共享。

堆

方法區(qū)是存放類型數據的，而堆則是存放運行時產生的對象的。和C++不同的是， Java只能在堆中存放對象，而不能在棧上分配對象，所有運行時產生的對象全部都存放于堆中，包括數組。我們知道，在Java中，數組也是對象。一個JVM實例中只有一個堆，所有線程共享堆中的數據（對象）。

Java虛擬機支持幾種不同的創(chuàng)建對象的指令，如new ， anewarray等。這些指令執(zhí)行的結果就是在堆中分配內存，并創(chuàng)建對象。但是Java虛擬機的指令集中并不包含任何釋放內存的指令，因而我們也就不能手動釋放內存。所有被創(chuàng)建的對象都會被一個叫做垃圾收集器（GC）的模塊自動回收，垃圾收集器有不同的實現方式，他們以特定的方式判斷對象是否過期，并以特定的方式對對象進行回收，關于垃圾收集的話題不是本文的重點，這里就不多說了。我們只要知道：所有創(chuàng)建的對象都存在堆中，而垃圾收集器會自動回收過期的對象，所以，JVM的堆區(qū)是垃圾收集器的“重點管理區(qū)” 。

Java棧

Java棧是一個線程的執(zhí)行區(qū)域，它保存著一個線程中的方法的調用狀態(tài)，也可以說，一個Java線程的運行狀態(tài)，都由一個Java棧來保存。在這個棧中，每一方法對應一個棧幀，請注意區(qū)分棧幀和棧這兩個概念。棧指的是整個線程的執(zhí)行棧，棧幀是棧中的一個單位，每個方法對應一個棧幀。 JVM會對Java棧執(zhí)行兩種操作：壓棧和出棧。這兩種操作在執(zhí)行時都是以幀（棧幀）為單位的。當調用了一個新的方法，就會壓入一個棧幀，當一個方法調用完成，就會彈出這個方法的棧幀，回到調用者的棧幀。

舉例來說，如果方法a調用了方法b，而方法b中調用了方法c。這個過程中的方法調用和返回的裝狀態(tài)是這樣的（其中圖中兩條虛線之間表示Java棧，每個方塊表示一個特定方法的棧幀）