1. 前言

本节主要讲述的是运行时数据区，它是在类加载完成后的阶段。

当我们完成类加载的各个阶段（加载 -> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化）后，执行引擎会使用这些类来执行相应的操作。在这个过程中，执行引擎会使用到运行时数据区。

我们可以将运行时数据区类比为大厨做饭所需要的各种原料和工具（切好的菜、刀、调料等），而执行引擎则类比为大厨，它通过使用这些准备好的东西来制作出精美的菜品。

内存是非常重要的系统资源，是硬盘和 CPU 的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行。JVM 内存布局规定了 Java 在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了 JVM 的高效稳定运行。不同的 JVM 对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。结合 JVM 虚拟机规范，我们来探讨经典的 JVM 内存布局。

运行时数据区的组成

运行时数据区的完整结构如下图所示：

1. 方法区（Method Area）：

   • 存储类的元数据、常量、静态变量和即时编译器编译后的代码。
   • 在 Java 8 之前，方法区通常被称为永久代（Permanent Generation）；在 Java 8 及之后版本，方法区被称为元空间（Metaspace）。

2. 堆（Heap）：

   • 存储所有的对象实例和数组，是 Java 内存管理的主要区域。
   • 堆是线程共享的，每个 JVM 实例只有一个堆内存。

3. 栈（Stack）：

   • 每个线程都有一个私有的栈，栈帧中保存了方法的局部变量、操作数栈、动态链接和方法返回地址。
   • 栈帧是线程私有的数据结构，随着方法的调用和返回，栈帧在栈中入栈和出栈。

4. 本地方法栈（Native Method Stack）：

   • 为了支持本地方法调用，JVM 会使用到本地方法栈。
   • 它与 Java 虚拟机栈类似，只不过本地方法栈为本地方法服务。

5. 程序计数器（Program Counter Register）：

   • 记录每个线程所执行的字节码的行号指示器。
   • 在任何时候，一个处理器核心只会执行一个线程的指令，因此每个线程都有一个独立的程序计数器。

内存的作用与重要性

• 内存作为桥梁：内存是 CPU 和硬盘之间的桥梁。通过磁盘或网络 IO 获取的数据都需要先加载到内存中，然后 CPU 从内存中获取数据进行处理。因此，内存在数据传输和处理过程中起到了重要的桥梁作用。
• 内存管理：内存管理策略决定了 Java 程序的性能和稳定性。通过合理的内存分配和回收机制，JVM 可以确保程序在运行过程中高效稳定。

总结

• 运行时数据区：是类加载完成后，执行引擎进行操作的主要内存区域，包括方法区、堆、栈、本地方法栈和程序计数器。
• 执行引擎与运行时数据区：执行引擎通过操作运行时数据区的内容，来完成程序的实际运行。
• 内存的桥梁作用：内存在硬盘和 CPU 之间起到了桥梁的作用，是数据处理的中间仓库。
• 内存管理：JVM 的内存布局和管理策略是保证程序高效稳定运行的关键。

2. 线程

线程的内存空间

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。其中一些数据区会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁；另外一些则与线程一一对应，这些数据区域会随着线程的开始和结束而创建和销毁。

内存空间划分

灰色的为单独线程私有的，红色的为多个线程共享的。即：

• 线程独有：独立的内存区域包括程序计数器、栈、本地方法栈。
• 线程共享：共享的内存区域包括堆、永久代或元空间（以及代码缓存）。

Runtime类

• 单例模式：每个 JVM 只有一个 Runtime 实例，提供了应用程序与运行时环境的接口。
• 作用：Runtime 类代表运行时环境，相当于内存结构的中间框框：运行时环境。

JVM线程

• 定义：线程是一个程序中的运行单元。JVM 允许一个应用有多个线程并行执行。
• 映射：在 Hotspot JVM 中，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。Java 线程准备执行时，一个操作系统的本地线程也同时创建。Java 线程执行终止后，本地线程也会回收。

线程的调度

• 操作系统调度：操作系统负责所有线程的调度，将线程安排到可用的 CPU 上。一旦本地线程初始化成功，它就会调用 Java 线程中的 run() 方法。

JVM系统线程

如果你使用 console 或者是任何一个调试工具，都能看到在后台有许多线程在运行。这些后台线程不包括调用 public static void main(String[]) 的 main 线程以及所有这个 main 线程自己创建的线程。

在后台运行的主要系统线程包括：

1. 虚拟机线程：

   • 操作：需要 JVM 达到安全点才会执行，涉及操作包括“stop-the-world”垃圾收集、线程栈收集、线程挂起及偏向锁撤销。

2. 周期任务线程：

   • 功能：处理时间周期事件（如中断），用于周期性操作的调度执行。

3. GC线程：

   • 功能：支持 JVM 中不同种类的垃圾收集行为。

4. 编译线程：

   • 功能：在运行时将字节码编译成本地代码。

5. 信号调度线程：

   • 功能：接收信号并发送给 JVM，通过调用适当的方法进行处理。

总结

• 线程独有内存：程序计数器、栈、本地方法栈。
• 线程共享内存：堆、永久代或元空间。
• Runtime类：提供应用程序与运行时环境的接口。
• JVM线程：每个线程与操作系统的本地线程直接映射，负责执行 Java 线程的 run() 方法。
• JVM系统线程：包括虚拟机线程、周期任务线程、GC 线程、编译线程和信号调度线程，分别处理不同的系统任务。