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前言

Java 虛擬機的運行時數(shù)據(jù)區(qū)經(jīng)常在面試中被拿來提問，很多概念在市面上有各種各樣的說法，搞的不少同學(xué)應(yīng)該是懵逼的。

當(dāng)我們陷入不知道哪個說法是正確的情況時，最好的參考就是源碼和規(guī)范。

在面試中，當(dāng)面試官反問你：為什么某某是這樣?的時候，如果你回答：因為規(guī)范是這么寫的、因為源碼是這么寫的。

這個回答是非常有說服力的。

因此，本文在描述一些有爭議的問題上，優(yōu)先以《Java 虛擬機規(guī)范》的說法為準(zhǔn)。

正文

1、運行時數(shù)據(jù)區(qū)(Run-Time Data Areas)

Java 虛擬機定義了若干種在程序執(zhí)行期間會使用到的運行時數(shù)據(jù)區(qū)域。

其中一些數(shù)據(jù)區(qū)域在 Java 虛擬機啟動時被創(chuàng)建，隨著虛擬機退出而銷毀。也就是線程間共享的區(qū)域：堆、方法區(qū)、運行時常量池。

另外一些數(shù)據(jù)區(qū)域是按線程劃分的，這些數(shù)據(jù)區(qū)域在線程創(chuàng)建時創(chuàng)建，在線程退出時銷毀。也就是線程間隔離的區(qū)域：程序計數(shù)器、Java虛擬機棧、本地方法棧。

1)程序計數(shù)器(Program Counter Register)

Java 虛擬機可以支持多個線程同時執(zhí)行，每個線程都有自己的程序計數(shù)器。在任何時刻，每個線程都只會執(zhí)行一個方法的代碼，這個方法稱為該線程的當(dāng)前方法(current method)。

如果線程正在執(zhí)行的是 Java 方法(不是 native 的)，則程序計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的 Java 虛擬機字節(jié)碼指令的地址。如果正在執(zhí)行的是本地(native)方法，那么計數(shù)器的值是空的(undefined)。

2)Java虛擬機棧(Java Virtual Machine Stacks)

每個 Java 虛擬機線程都有自己私有的 Java 虛擬機棧，它與線程同時創(chuàng)建，用于存儲棧幀。

Java 虛擬機棧描述的是 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法在執(zhí)行的同時都會創(chuàng)建一個棧幀用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。

每一個方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。

3)本地方法棧(Native Method Stacks)

本地方法棧與 Java 虛擬機棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，它們之間的區(qū)別不過是 Java 虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行 Java方法(也就是字節(jié)碼)服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機使用到的本地(Native)方法服務(wù)。

4)堆(Heap)

堆是被各個線程共享的運行時內(nèi)存區(qū)域，也是供所有類實例和數(shù)組對象分配內(nèi)存的區(qū)域。

堆在虛擬機啟動時創(chuàng)建，堆存儲的對象不會被顯示釋放，而是由垃圾收集器進行統(tǒng)一管理和回收。

5)方法區(qū)(Method Area)

方法區(qū)是被各個線程共享的運行時內(nèi)存區(qū)域。方法區(qū)類似于傳統(tǒng)語言的編譯代碼的存儲區(qū)。它存儲了每一個類的結(jié)構(gòu)信息，例如：運行時常量池、字段和方法數(shù)據(jù)，構(gòu)造函數(shù)和普通方法的字節(jié)碼內(nèi)容，還包括一些用于類、實例、接口初始化用到的特殊方法。

6)運行時常量池(Run-Time Constant Pool)

運行時常量池是 class 文件中每一個類或接口的常量池表(constant_pool table)的運行時表示形式。

它包含了若干種常量，從編譯時已知的數(shù)值字面量到必須在運行時解析后才能獲得的方法和字段引用。運行時常量池的功能類似于傳統(tǒng)編程語言的符號表(symbol table)，不過它包含的數(shù)據(jù)范圍比通常意義上的符號表要更為廣泛。

2、Java 中有哪幾種常量池?

現(xiàn)在我們經(jīng)常提到的常量池主要有三種：class 文件常量池、運行時常量池、字符串常量池。

3、class 文件常量池

class 文件常量池(class constant pool)屬于 class 文件的其中一項，class 類文件包含：魔數(shù)、類的版本、常量池、訪問標(biāo)志、字段表集合、方發(fā)表等信息。

常量池用于存放編譯期間生成的各種字面量(Literal)和符號引用(Symbolic References)。

字面量比較接近于Java語言層面的常量概念，如文本字符串、聲明為 final 的常量值等。

符號引用則屬于編譯原理方面的概念。符號引用是一組符號來描述所引用的目標(biāo)，符號可以是任何形式的字面量，只要使用時能無歧義地定位到目標(biāo)即可(它與直接引用區(qū)分，直接引用一般是指向方法區(qū)的本地指針，相對偏移量或是一個能間接定位到目標(biāo)的句柄)。符號引用主要包括下面幾類常量：

• 被模塊導(dǎo)出或開放的包(Package)
• 類和接口的全限定名(Fully Qualified Name)
• 字段的名稱和描述符(Descriptor)

常量池中每一項常量都是一個表，截至JDK 13，常量表中分別有17種不同類型的常量。17種常量類型所代表的具體含義如圖所示。

關(guān)于 class 文件常量池的更多內(nèi)容可以閱讀周志明的《深入理解Java虛擬機》6.3.2 章節(jié)。

4、運行時常量池

class 文件常量池是在類被編譯成 class 文件時生成的。而當(dāng)類被加載到內(nèi)存中后，JVM 就會將 class 文件常量池中的內(nèi)容存放到運行時常量池中。

Java 虛擬機規(guī)范中對運行時常量池的定義如下：

A run-time constant pool is a per-class or per-interface run-time representation of the constant_pool table in a class file.

運行時常量池是 class 文件中每一個類或接口的常量池表(constant_pool table)的運行時表示形式。

因此，根據(jù)規(guī)范定義，可以說運行時常量池是 class 文件常量池的運行時表示，每個類在運行時都有自己的一個獨立的運行時常量池。

5、字符串常量池

簡單來說，HotSpot VM 里的字符串常量池(StringTable)是個哈希表，全局只有一份，被所有的類共享。

StringTable 具體存儲的是 String 對象的引用，而不是 String 對象實例自身。String 對象實例在 JDK 6 及之前是在永久代里，從JDK 7 開始放在堆里。

根據(jù) Java 虛擬機規(guī)范的定義，堆是存儲 Java 對象的地方，其他地方是不會有 Java 對象實體的，如果有的話，根據(jù)規(guī)范定義，這些地方也要算堆的一部分。

6、字符串常量池是否屬于方法區(qū)?

我認為是不屬于的。

在讀本文之前，我相信很多同學(xué)會有如下觀點：因為運行時常量池屬于方法區(qū)，所以很多同學(xué)認為字符串常量池也應(yīng)該屬于方法區(qū)。

但是相信看了上面的內(nèi)容后，會開始意識到，運行時常量池和字符串常量池其實是不同的兩個東西，當(dāng)然它們在字符串解析時會有關(guān)聯(lián)。

Java 虛擬機規(guī)范中對方法區(qū)的定義如下：

The Java Virtual Machine has a method area that is shared among all Java Virtual Machine threads. The method area is analogous to the storage area for compiled code of a conventional language or analogous to the "text" segment in an operating system process. It stores per-class structures such as the run-time constant pool, field and method data, and the code for methods and constructors, including the special methods (§2.9) used in class and instance initialization and interface initialization

在 Java 虛擬機中，方法區(qū)是被各個線程共享的運行時內(nèi)存區(qū)域。方法區(qū)類似于傳統(tǒng)語言的編譯代碼的存儲區(qū)，或者類似于操作系統(tǒng)進程中的文本段。它存儲了每一個類的結(jié)構(gòu)信息，例如：運行時常量池、字段和方法數(shù)據(jù)，構(gòu)造函數(shù)和普通方法的字節(jié)碼內(nèi)容，還包括一些用于類、實例、接口初始化用到的特殊方法。

這邊的關(guān)鍵在于 “它存儲了每一個類的結(jié)構(gòu)信息”，而字符串常量池并不屬于某個類，字符串常量是全局共享的，因此，根據(jù)規(guī)范定義，我們可以說字符串常量池不屬于方法區(qū)。

那字符串常量池(StringTable)究竟存在哪里了?

StringTable 本體是存儲在 native memory(本地內(nèi)存)里，不是在永久代里，不是在方法區(qū)里，當(dāng)然，更不是在堆里。

7、運行時常量池和字符串常量池的關(guān)聯(lián)?

上面說了，運行時常量池和字符串常量池在字符串解析時會有關(guān)聯(lián)，具體如下。

類的運行時常量池中有 CONSTANT_String_info(見題3表格)類型的常量，CONSTANT_String_info 類型的常量的解析(resolve)過程如下：

首先到字符串常量池(StringTable)中查找是否已經(jīng)有了該字符串的引用，如果有，則直接返回字符串常量池的引用;如果沒有，則在堆中創(chuàng)建 String 對象，并在字符串常量池駐留其引用，然后返回該引用。

也就說，運行時常量池里的 CONSTANT_String_info 類型的常量，經(jīng)過解析(resolve)之后，同樣存的是字符串的引用，并且和 StringTable 駐留的引用的是一致的。

8、String#intern 方法

在 JDK 7 及之后的版本中，該方法的作用如下：如果字符串常量池中已經(jīng)有這個字符串，則直接返回常量池中的引用;如果沒有，則將這個字符串的引用保存一份到字符串常量池，然后返回這個引用。

下面的例子可以進行簡單的驗證：

public static void main(String args[]) { 
 
    // 創(chuàng)建2個對象，str持有的是new創(chuàng)建的對象引用 
    // 1）駐留（intern）在字符串常量池中的對象 
    // 2）new創(chuàng)建的對象 
    String str = new String("joonwhee"); 
    // 字符串常量池中已經(jīng)有了，返回字符串常量池中的引用 
    String str2 = "joonwhee"; 
    // false，str為new創(chuàng)建的對象引用，str2為字符創(chuàng)常量池中的引用 
    System.out.println(str == str2); 
    // str修改為字符串常量池的引用，所以下面為true 
    str = str.intern(); 
    // true 
    System.out.println(str == str2); 
} 

9、永久代(PermGen)

永久代在 Java 8 被移除。根據(jù)官方提案的描述，移除的主要動機是：要將 JRockit 和 Hotspot 進行融合，而 JRockit 并沒有永久代。

而據(jù)我們所了解的，還有另外一個重要原因是永久代本身也存在較多的問題，經(jīng)常出現(xiàn)OOM，還出過不少bug。

根據(jù)官方提案的描述，永久代主要存儲了三種數(shù)據(jù)：

1)Class metadata(類元數(shù)據(jù))，也就是方法區(qū)中包含的數(shù)據(jù)，除了編譯生成的字節(jié)碼被放在 native memory(本地內(nèi)存)。

2)interned Strings，也就是字符串常量池中駐留引用的字符串對象，字符串常量池只駐留引用，而實際對象是在永久代中。

3)class static variables，類靜態(tài)變量。

移除永久代后，interned Strings 和 class static variables 被移動了堆中，Class metadata 被移動到了后來的元空間。

10、永久代和方法區(qū)的關(guān)系?

方法區(qū)是 Java 虛擬機規(guī)范中定義的一種邏輯概念，而永久代是對方法區(qū)的實現(xiàn)。但是永久代并不等同于方法區(qū)，方法區(qū)也不等同于永久代。

永久代中的 interned Strings 并不屬于方法區(qū)，按規(guī)范：堆是存儲 Java 對象的地方 ，這部分應(yīng)該屬于堆，因此永久代并不是只用于實現(xiàn)方法區(qū)。

方法區(qū)中 JIT 編譯生成的代碼并不是存放在永久代，而是在 native memory 中，因此可以說方法區(qū)也并不只是由永久代來實現(xiàn)。

11、元空間(metaspace)

元空間在 Java 8 移除永久代后被引入，用來代替永久代，本質(zhì)和永久代類似，都是對方法區(qū)的實現(xiàn)。不過元空間與永久代之間最大的區(qū)別在于：元空間并不在虛擬機中，而是使用本地內(nèi)存(native memory)。

元空間主要用于存儲 Class metadata(類元數(shù)據(jù))，根據(jù)其命名其實也看得出來。

可以通過 -XX:MaxMetaspaceSize 參數(shù)來限制元空間的大小，如果沒有設(shè)置該參數(shù)，則元空間默認限制為機器內(nèi)存。

12、為什么引入元空間?

在 Java 8 之前，Java 虛擬機使用永久代來存放類元信息，通過-XX:PermSize、-XX:MaxPermSize 來控制這塊內(nèi)存的大小，隨著動態(tài)類加載的情況越來越多，這塊內(nèi)存變得不太可控，到底設(shè)置多大合適是每個開發(fā)者要考慮的問題。

如果設(shè)置小了，容易出現(xiàn)內(nèi)存溢出;如果設(shè)置大了，又有點浪費，盡管不會實質(zhì)分配這么大的物理內(nèi)存。

而元空間可以較好的解決內(nèi)存設(shè)置多大的問題：當(dāng)我們沒有指定 -XX:MaxMetaspaceSize 時，元空間可以動態(tài)的調(diào)整使用的內(nèi)存大小，以容納不斷增加的類。

13、元空間能徹底解決內(nèi)存溢出(Out Of Memory)問題嗎?

很遺憾，答案是不行的。

元空間無法徹底解決內(nèi)存溢出的問題，只能說是有所緩解。當(dāng)內(nèi)存使用完畢后，元空間一樣會出現(xiàn)內(nèi)存溢出的情況，最典型的場景就是出現(xiàn)了內(nèi)存泄漏時。

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