運行時數據結構
- Java運行時數據區
- 程序計數器
- 為什么需要程序計數器
- 執行流程
- 虛擬機棧
- 虛擬機棧作用
- 虛擬機棧核心結構
- 運行機制
Java運行時數據區
首先介紹Java運行時數據之前，我們要了解，對于計算機來說，內存是非常重要的資源，因為內存是連接CPU與硬盤的橋梁，承載著操作系統與應用程序的運行的基礎。JVM在運行期間把它管理的內存分為若干個區域，有些區域是線程私有的，有些區域是共享的。
Java運行時數據區作為JVM在程序執行過程中管理內存的核心結構，主要包括方法區（存儲類元數據、運行時常量池、靜態變量）、堆（存放對象實例和數組，被所有線程共享且是垃圾回收的主區域）、虛擬機棧（每個線程私有，用于存儲方法調用的棧幀，包含局部變量表、操作數棧及方法出口）、本地方法棧（支持Native方法調用）和程序計數器（記錄當前線程執行的字節碼位置，確保多線程切換后能恢復執行）。其中，堆和方法區是線程共享的，而虛擬機棧、本地方法棧和程序計數器為線程私有，共同協作實現Java程序的內存分配、方法執行及多線程調度。
程序計數器
程序計數器（Program Counter Register）在JVM中可以當成當前線程所執行的字節碼的行號指示器，在JVM的概念模型里面，字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的字節碼指令，它是程序控制流的指示器。分支 、循環 、跳轉 、異常處理 、線程恢復等都是依賴這個計數器來實現的。
如果程序執行的是Java方法，計數器代表的是只在執行的虛擬機字節碼的地址；如果執行的是本地方法，這個計數器的值為空（undefined）。此外，這個計數器區域是Java虛擬機規范的沒有規定任何內存溢出的地方，程序計數區既沒有內存溢出，也沒有垃圾回收。因為程序計數器是很小的一塊內存區域，幾乎可以忽略不記，同時也是運行最快的區域。
為什么需要程序計數器
因為CPU需要不停的切換各個線程，做完切換之后，需要知道接下來從哪里開始執行。通過使用程序計數器保存了接下來要執行的地址，這樣CPU切換過來之后就可以直接接著執行。
執行流程
// 示例代碼
public class Demo {public int test() {int a = 10;int b = 20;int c = a + b;String d = "abd";System.out.println(d);return d.length();}
}
通過javap -c Demo.class反編譯后：
0 bipush 102 istore_13 bipush 205 istore_26 iload_17 iload_28 iadd9 istore_3
10 ldc #2 <abd>
12 astore 4
14 getstatic #9 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
17 aload 4
19 invokevirtual #15 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>
22 aload 4
24 invokevirtual #21 <java/lang/String.length : ()I>
27 ireturn
虛擬機棧
虛擬機棧（Java Virtual Machine Stack）是JVM內存模型中與線程執行密切相關的核心區域，用于存儲方法調用的棧幀（Stack Frame）。它是線程私有的內存空間，每個線程在創建時都會分配一個獨立的虛擬機棧，其生命周期與線程一致。以下從設計目標、核心結構、運行機制到常見問題全面解析。
虛擬機棧作用
虛擬機棧的核心功能是支持Java方法的調用與執行，具體包括：
-
方法調用鏈管理：保存方法的調用順序（如 main() → methodA() → methodB()）。
-
局部變量存儲：存儲方法內的基本類型變量、對象引用。
-
操作數計算：提供臨時數據存儲空間（如算術運算的中間結果）。
-
方法返回控制：記錄方法執行完成后的返回地址。
虛擬機棧核心結構
虛擬機棧由多個棧幀（Stack Frame）構成，每個棧幀對應一個方法的調用。棧幀包含以下核心部分：
-
局部變量表（Local Variables Table）
作用：存儲方法參數和方法內定義的局部變量。結構：以變量槽（Slot）為最小單位，每個Slot占用32位（long和double占2個Slot）。索引從0開始，依次存放this（非靜態方法）、方法參數、局部變量。示例：
public void demo(int a, String b) {double c = 3.14;Object d = new Object();
}
局部變量表結構：
-
操作數棧（Operand Stack）
作用：保存計算過程中的臨時數據（類似CPU的寄存器）。
特點：
深度在編譯期確定（寫入方法表的max_stack屬性）。通過iconst_1、iadd等字節碼指令操作棧頂元素。
int result = 1 + 2;
iconst_1 // 壓入1
iconst_2 // 壓入2
iadd // 彈出1和2，相加后壓入3
istore_1 // 將3存儲到局部變量表索引1
- 動態鏈接（Dynamic Linking）
-
作用：將符號引用（如com/example/Demo.methodA）轉換為直接引用（內存地址）。
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意義：支持多態特性（如接口方法、虛方法調用）。
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對比：
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靜態解析：類加載階段可確定的直接引用（如final方法）。
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動態鏈接：運行時才能確定（如重寫方法）。
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- 方法返回地址（Return Address）
作用：記錄方法正常結束或異常退出后的返回位置。
兩種返回方式：
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正常返回（return指令）：程序計數器恢復為調用者的下一條指令地址。
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異常退出：通過異常處理器表（Exception Table）確定跳轉地址。
運行機制
- 方法調用與棧幀壓棧
調用方法時：創建新棧幀并壓入棧頂。
方法返回時：棧幀彈出，釋放內存。
- 棧溢出（StackOverflowError）
觸發條件：線程請求的棧深度超過JVM允許的最大值（如無限遞歸）。
示例：
public class StackOverflowDemo {public static void main(String[] args) {infiniteCall(); // 無限遞歸調用}static void infiniteCall() {infiniteCall();}
}
報錯信息：
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
- 棧大小配置
參數：-Xss（如-Xss1m設置棧大小為1MB）。
默認值：不同JVM實現不同（HotSpot Linux x64默認1MB）。
)
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