JVM 运行时数据区域详解与内存结构分析

若发生 JVM 线程切换，各线程的 PC 值会独立保存：

线程 A PC=2 // 线程 A 下一条指令应该执行 iadd
线程 B PC=4 // 线程 B 下一条指令应该执行 ireturn

2. Java 虚拟机栈（线程私有）

Java 虚拟机栈（JVM Stack）是线程私有的运行时数据区，生命周期与线程相同。它用于描述 Java 方法执行时的内存模型：当一个方法被调用时，JVM 会为该方法创建一个栈帧（Stack Frame）并压入虚拟机栈中。栈帧中主要包含局部变量表、操作数栈、动态链接和方法返回地址等信息。当方法执行结束时，对应的栈帧会被弹出。通常我们所说的'栈内存'，指的就是 Java 虚拟机栈。

栈帧内部主要包含四个部分：

1. 局部变量表（Local Variable Table）：用于存储方法执行过程中使用的方法参数和方法内部定义的局部变量（包括基本数据类型变量和对象引用）。其中对象引用存储的是对象在堆中的引用地址而不是对象本身。局部变量表的大小在编译期就已确定，在方法执行期间不会改变，并以 slot（槽位）的形式按顺序存放在栈帧中。
2. 操作数栈：操作数栈是 JVM 在执行字节码指令时，用于临时存放参与运算的数据和保存计算结果的栈结构。字节码指令会通过入栈（push）和出栈（pop）的方式在操作数栈上完成计算，可以理解为 JVM 执行计算时临时使用的'工作台'。
3. 动态链接：指在方法执行过程中，把常量池中的符号引用解析为实际方法或字段引用的过程。例如想给张三打电话，需要先在通讯录中通过'张三'这个名字查找他的真实电话号码，然后再拨打电话。其中，'张三'这个名字相当于符号引用，张三的电话号码相当于真实引用，而通过名字查找电话号码的过程就类似于动态链接。
4. 方法返回地址：指当前方法执行结束后，程序需要返回到调用者方法继续执行的位置。换个更直白的说法：方法返回地址就是'这个方法执行完之后，下一条要执行的字节码在哪里'。

3. 本地方法栈（线程私有）

本地方法栈（Native Method Stack）与 Java 虚拟机栈类似，只不过 Java 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。其核心机制与虚拟机栈保持一致，不再赘述。

4. 堆（线程共享）

堆（Heap）是 JVM 中用于存放对象实例和数组（数组也是一种对象）的运行时内存区域，并且是所有线程共享的。在 Java Virtual Machine 中，当代码创建对象时，本质上就是在堆里申请一块内存。

User user = new User();
// 线程栈                  堆
// ------------------     ------------------
// user (引用地址) -------> User 对象实例
// 栈里只保存 引用（reference），真正的数据在堆里。这也是为什么 Java 对象通常说是'在堆上分配'。

堆为什么必须共享？ 设想这样一个程序：

User user = new User();
ThreadA 修改 user.name
ThreadB 读取 user.name

如果堆不是共享的，每个线程都有自己的对象副本，那数据就会完全不同步。所以 JVM 的设计非常明确：对象数据在堆里共享，执行过程在栈里隔离。

我们常见的 JVM 参数设置 -Xms10m 最小启动内存是针对堆的，-Xmx10m 最大运行内存也是针对堆的。

堆除了是对象的聚集地，也是 Java 垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作 GC 堆（Garbage Collected Heap）。从垃圾回收的角度来看，由于垃圾收集器基本都采用了分代垃圾收集的算法，所以堆还可以细分为：新生代和老年代。新生代还可以细分为：Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

堆这最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误，分为以下几种表现形式：

• OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded：当 JVM 花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时，就会发生该错误。
• java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space：假如在创建新的对象时，堆内存中的空间不足以存放新创建的对象，就会引发该错误。和本机的物理内存无关，和我们配置的虚拟机内存大小有关！

5. 方法区（线程共享）

方法区是 Java 虚拟机规范上的一个逻辑区域，在不同的 JDK 版本上有着不同的实现。在 JDK 7 的时候，方法区被称为永久代（PermGen），而在 JDK 8 的时候，永久代被彻底移除，取而代之的是元空间。

方法区 ≠ 元空间 方法区是规范里的概念，元空间是一种实现方式。

方法区主要存什么？

1. 类的结构信息

   当 JVM 加载一个类，比如：

   class User {
       private String name;
       public void run() {}
   }
   

   JVM 会把这些信息解析后存到方法区：类名、父类信息、实现的接口、字段信息、方法信息、访问修饰符。例如：

   • Class: User
   • Fields: name
   • Methods: run()
   • Superclass: Object 这些都是类的元数据（metadata）。

2. 运行时常量池

   每个 class 文件都有一个常量池（ConstantPool），里面存着：字符串常量、类名、方法名、字段名、符号引用。例如代码：String s = "hello";，这里 "hello" 就会进入运行时常量池（现代 JVM 中字符串对象在堆，但常量池引用在方法区）。

3. 静态变量（static 变量）

   例如：

   class User {
       static int count = 0;
   }
   

   count 是类级别变量，不是对象变量。所以它不会放在堆里的对象中，而是放在方法区中。

4. JIT 编译后的代码

   JVM 有即时编译器（JIT）。热点方法会被编译成本地机器码，提高执行效率。这些编译后的机器码也会存储在方法区相关区域。