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大厂面试题:说说Java运行时数据区

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一、得分点

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区 

二、标准回答 

当程序运行时,JVM需要内存来存储许多内容,例如:字节码、对象、参数、返回值、局部变量、运算的中间结果,等等,JVM会把这些东西都存储到运行时数据区中,以便于管理。而运行时数据区又可以分为程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区。 

1. 程序计数器 

程序计数器是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里,字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,它是程序控制流的指示器,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,一个处理器都只会执行一条线程中的指令。

因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。 

2. 虚拟机栈 

虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型:每个方法被执行的时候,Java虚拟机都会同步创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

经常有人把Java内存区域笼统地划分为堆和栈,这种划分方式直接继承自传统的C、C++程序的内存布局结构,在Java语言里就显得有些粗糙了,实际的内存区域划分要比这更复杂。不过这种划分方式的流行也间接说明了程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的区域是堆和栈两块。

其中,栈通常就是指这里讲的虚拟机栈,或者更多的情况下只是指虚拟机栈中局部变量表部分。在Java虚拟机规范中,对这个内存区域规定了两类异常状况: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Java虚拟机栈容量可以动态扩展,当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。 

3. 本地方法栈 

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地方法服务。

Java虚拟机规范对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定,因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它,甚至有的Java虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

与虚拟机栈一样,本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。 

4. 堆 

堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

堆是垃圾收集器管理的内存区域,因此一些资料中它也被称作“GC堆”。

堆既可以被实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的。

如果在Java堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,JVM将会抛出OutOfMemoryError异常。 

5. 方法区 

方法区与堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然Java虚拟机规范中把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫作“非堆”,目的是与堆区分开来。运行时常量池是方法区的一部分。

Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池表,用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用。根据Java虚拟机规范的规定,如果方法区无法满足新的内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

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