深入Java虚拟机：JVM中的Stack和Heap

在JVM中，内存分为两个部分，Stack（栈）和Heap（堆），这里，我们从JVM的内存管理原理的角度来认识Stack和Heap，并通过这些原理认清Java中静态方法和静态属性的问题。

一般，JVM 的内存分为两部分：Stack和Heap。

Stack （栈）是JVM的内存指令区。Stack管理很简单，push一定长度字节的数据或者指 令，Stack指针压栈相应的字节位移；pop一定字节长度数据或者指令，Stack指针弹栈。Stack的速度很快，管理很简单，并且每次操作的数据或 者指令字节长度是已知的。所以Java 基本数据类型，Java 指令代码，常量都保存在Stack中。

Heap （堆）是JVM的内存数据区。Heap 的管理很复杂，每次分配不定长的内存空间，专门用来保存对象的实例。在Heap 中分配一定的内存来保存对象实例，实际上也只是保存对象实例的属性值，属性的类型和对象本身的类型标记等，并不保存对象的方法（方法是指令，保存在 Stack中）,在Heap 中分配一定的内存保存对象实例和对象的序列化比较类似。而对象实例在Heap 中分配好以后，需要在Stack中保存一个4字节的Heap 内存地址，用来定位该对象实例在Heap 中的位置，便于找到该对象实例。

由于Stack的内存管理是顺序分配的，而且定长，不存在内存回收问题；而Heap 则是随机分配内存，不定长度，存在内存分配和回收的问题；因此在JVM中另有一个GC进程，定期扫描Heap ，它根据Stack中保存的4字节对象地址扫描Heap ，定位Heap 中这些对象，进行一些优化（例如合并空闲内存块什么的），并且假设Heap 中没有扫描到的区域都是空闲的，统统refresh（实际上是把Stack中丢失了对象地址的无用对象清除了），这就是垃圾收集的过程；关于垃圾收集的更 深入讲解请参考51CTO之前的文章《JVM内存模型及垃圾收集策略解析 》。

 
JVM的体系结构

我们首先要搞清楚的是什么是数据以及什么是指令。然后要搞清楚对象的方法和对象的属性分别保存在哪里。

1）方法本身是指令的操作码部分，保存在Stack中；

2）方法内部变量作为指令的操作数部分，跟在指令的操作码之后，保存在Stack中（实际上是简单类型保存在Stack中，对象类型在Stack中保存地址，在Heap 中保存值）；上述的指令操作码和指令操作数构成了完整的Java 指令。

3）对象实例包括其属性值作为数据，保存在数据区Heap 中。

非静态的对象属性作为对象实例的一部分保存在Heap 中，而对象实例必须通过Stack中保存的地址指针才能访问到。因此能否访问到对象实例以及它的非静态属性值完全取决于能否获得对象实例在Stack中的地址指针。

非静态方法和静态方法的区别：

非静态方法 有一个和静态方法很重大的不同：非静态方法有一个隐含的传入参数，该参数是JVM给它的，和我们怎么 写代码无关，这个隐含的参数就是对象实例在Stack中的地址指针。因此非静态方法（在Stack中的指令代码）总是可以找到自己的专用数据（在Heap 中的对象属性值）。当然非静态方法也必须获得该隐含参数，因此非静态方法在调用前，必须先new一个对象实例，获得Stack中的地址指针，否则JVM将 无法将隐含参数传给非静态方法。

静态方法 无此隐含参数，因此也不需要new对象，只要class文件被ClassLoader load进入JVM的Stack，该静态方法即可被调用。当然此时静态方法是存取不到Heap 中的对象属性的。

总结一下该过程：当一个class文件被ClassLoader load进入JVM后，方法指令保存在Stack中，此时Heap 区没有数据。然后程序技术器开始执行指令，如果是静态方法，直接依次执行指令代码，当然此时指令代码是不能访问Heap 数据区的；如果是非静态方法，由于隐含参数没有值，会报错。因此在非静态方法执行前，要先new对象，在Heap 中分配数据，并把Stack中的地址指针交给非静态方法，这样程序技术器依次执行指令，而指令代码此时能够访问到Heap 数据区了。

静态属性和动态属性 ：

前面提到对象实例以及动态属性都是保存在Heap 中的，而Heap 必须通过Stack中的地址指针才能够被指令（类的方法）访问到。因此可以推断出：静态属性是保存在Stack中的，而不同于动态属性保存在Heap 中。正因为都是在Stack中，而Stack中指令和数据都是定长的，因此很容易算出偏移量，也因此不管什么指令（类的方法），都可以访问到类的静态属 性。也正因为静态属性被保存在Stack中，所以具有了全局属性。

在JVM中，静态属性保存在Stack指令内存区，动态属性保存在Heap数据内存区。

转载来自：http://developer.51cto.com/art/201003/188753.htm

 

 

1.程序计数器
每一个Java线程都有一个程序计数器来用于保存程序执行到当前方法的哪一个指令。
2.线程栈
线程的每个方法被执行的时候，都会同时创建一个帧（Frame）用于存储本地变量表、操作栈、动态链接、方法出入口等信息。每一个方法的调用至完成，就意味着一个帧在VM栈中的入栈至出栈的过程。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VM栈可以动态扩展（VM Spec中允许固定长度的VM栈），当扩展时无法申请到足够内存则抛出OutOfMemoryError异常。
3.本地方法栈
4.堆
每个线程的栈都是该线程私有的，堆则是所有线程共享的。当我们new一个对象时，该对象就被分配到了堆中。但是堆，并不是一个简单的概念，堆区又划分了很多区域，为什么堆划分成这么多区域，这是为了JVM的内存垃圾收集，似乎越扯越远了，扯到垃圾收集了，现在的jvm的gc都是按代收集，堆区大致被分为三大块：新生代，旧生代，持久代（虚拟的）；新生代又分为eden区，s0区，s1区。新建一个对象时，基本小的对象，生命周期短的对象都会放在新生代的eden区中，eden区满时，有一个小范围的gc（minor gc），整个新生代满时，会有一个大范围的gc（major gc），将新生代里的部分对象转到旧生代里。
5.方法区 
其实就是永久代（Permanent Generation），方法区中存放了每个Class的结构信息，包括常量池、字段描述、方法描述等等。VM Space描述中对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存，也可以选择固定大小或者可扩展外，甚至可以选择不实现垃圾收集。相对来说，垃圾收集行为在这个区域是相对比较少发生的，但并不是某些描述那样永久代不会发生GC（至 少对当前主流的商业JVM实现来说是如此），这里的GC主要是对常量池的回收和对类的卸载，虽然回收的“成绩”一般也比较差强人意，尤其是类卸载，条件相当苛刻。
6.常量池
 Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量表(constant_pool table)，用于存放编译期已可知的常量，这部分内容将在类加载后进入方法区（永久代）存放。但是Java语言并不要求常量一定只有编译期预置入Class的常量表的内容才能进入方法区常量池，运行期间也可将新内容放入常量池（最典型的String.intern()方法）。

栈与堆都是Java用来在内存中存放数据的地方。
  A.堆 对象（包括数组）都是在堆中创建 --用new建立，垃圾自动回收负责回收 

     1、堆是一个"运行时"数据区，类实例化的对象就是从堆上去分配空间的；

     2、在堆上分配空间是通过"new"等指令建立的；

     3、Java针对堆的操作和C++的区别就是，Java不需要在空间不用的时候来显式的释放；

     4、Java的堆是由Java的垃圾回收机制来负责处理的，堆是动态分配内存大小，垃圾收集器可以自动回收不再使用的内存空间。

     5、但缺点是，因为在运行时动态分配内存，所以内存的存取速度较慢。

  B.栈--存放基本数据类型，速度快

    栈容量只由-Xss参数设定

      1、栈中主要存放一些基本类型的变量（int, short, long, byte, float, double, boolean, char）和对象句柄；

      2、栈的存取速度比堆要快；

      3、栈数据可以共享(int a = 5  ,int b =5)； 5 共享

           每个JVM的线程都有自己的私有的栈空间，随线程创建而创建，java的stack存放的是frames

      4、栈的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息

方法区:(常量池分配在方法区内)

类型信息被存储在一个称为方法区的内存逻辑区中。类型信息是由类加载器在类加载时从类文件中提取出来的。类(静态)变量也存储在方法区中 方法区是被所有线程共享的

 

一 这个类型的完整有效名 
二 这个类型直接父类的完整有效名(除非这个类型是interface或是 
    java.lang.Object，两种情况下都没有父类) 
三 这个类型的修饰符(public,abstract, final的某个子集) 
四 这个类型直接接口的一个有序列表

 

 

对于被装载的每个类，虚拟机都会把这个类的类型信息存储在方法区，方法区中存储一下信息：eg: public class Test extends superclass implements interface1, interface2

1，  类的全限定名

2，  类的超类的全限定名

3，  这个类是类型还是接口

4，  类的访问修饰符

5，  超接口的权限定名的有序类表

6，  该类的常量池，

     该类型所使用常量的一个有序集合，包括直接类型和对其他类的，字段和方法的符号引用。

7，  字段信息

字段名，字段类型，字段的修饰符(eg:private String field)

8，  方法信息

方法名，方法的返回信息，方法的修饰符（eg:public  void method）,如果一个方法不是抽象的和本地的还将保存一下信息：方法的字节码，操作数栈和方法的栈帧中的局部变量的大小，异常表

9，  除了常量以外的所有类变量

类变量是多有类实例共享的，但是没有类实例也可以访问，只与类有关，编译时常量

10，             一个到classLoader的应用

11，             一个到class类的引用

12，             方法表（为了尽可能的提高访问效率，大部分虚拟机对每个装载的费抽象类，都生成一个方法表，把他们当做类型信息放在方法去类。）

 

 

 

 

通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小

运行时常量池溢出，在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是“PermGen space”，说明运行时常量池属于方法区（HotSpot虚拟机中的永久代）的一部分。

NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据

第一，从软件设计的角度看，栈代表了处理逻辑，而堆代表了数据。这样分开，使得处理逻辑更为清晰。分而治之的思想。这种隔离、模块化的思想在软件设计的方方面面都有体现。

第二，堆与栈的分离，使得堆中的内容可以被多个栈共享（也可以理解为多个线程访问同一个对象）。这种共享的收益是很多的。一方面这种共享提供了一种有效的数据交互方式(如：共享内存)，另一方面，堆中的共享常量和缓存可以被所有栈访问，节省了空间。

第三，栈因为运行时的需要，比如保存系统运行的上下文，需要进行地址段的划分。由于栈只能向上增长，因此就会限制住栈存储内容的能力。而堆不同，堆中的对象是可以根据需要动态增长的，因此栈和堆的拆分，使得动态增长成为可能，相应栈中只需记录堆中的一个地址即可。

第四，面向对象就是堆和栈的完美结合。其实，面向对象方式的程序与以前结构化的程序在执行上没有任何区别。但是，面向对象的引入，使得对待问题的思考方式发生了改变，而更接近于自然方式的思考。当我们把对象拆开，你会发现，对象的属性其实就是数据，存放在堆中；而对象的行为（方法），就是运行逻辑，放在栈中。我们在编写对象的时候，其实即编写了数据结构，也编写的处理数据的逻辑。不得不承认，面向对象的设计，确实很美。