深入浅出理解 Java 虚拟机（JVM）：Java 程序的运行引擎

Java 程序能够“一次编写，到处运行”，其基石是 Java 虚拟机（JVM）。它是一个虚拟的计算机，为 Java 字节码提供统一的运行环境。要理解 JVM 如何工作，就必须深入其内存结构。本文将详细解析 JVM 的核心组成部分，并重点阐明每个部分内部到底存放了哪些具体数据。

一、JVM 的核心组成与数据存储

JVM 的内存区域在逻辑上可以划分为几个核心部分，其中最重要的三个是：堆、Java 虚拟机栈 和 元空间。

• 堆：存放所有对象实例和数组。
• 栈：存放方法执行时的局部变量和部分过程结果。
• 元空间：存放类的元数据信息。

下面，我们来详细剖析这三个核心区域及其存储的数据。

二、堆的精细结构与数据存储

堆是 JVM 中最大的一块内存，是所有线程共享的。它的唯一使命就是存放对象本身。

1. 堆的组成与数据
   为了高效垃圾回收，堆被划分为新生代和老年代。

   • 新生代：新创建的对象在这里分配。新生代又分为：

     • Eden 区：对象诞生的“伊甸园”。
     • Survivor 区：有两个，S0 和 S1。

   • 老年代：存放长期存活的对象。

2. 堆里到底存了什么数据？
   当我们执行 MyObject obj = new MyObject(); 时，new MyObject() 这个操作会在堆上创建一个对象实例。这个实例内部存储的数据包括：

   • 对象头：包含两类信息：
     • 运行时元数据：如哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁等。
     • 类型指针：指向方法区中该对象的类元数据的指针，JVM 通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
   • 实例数据：这是对象的有效信息，即我们在代码里定义的各种字段（成员变量）的内容。
     • 例如，如果 MyObject 类定义了 int id 和 String name，那么 id 的值和 name 的引用（指向堆中的 String 对象）就存储在这里。
   • 对齐填充：非必需部分，仅起占位符作用，确保对象起始地址是8字节的整数倍，以提高内存访问效率。

   总结：堆里存的是通过 new 关键字创建出来的对象实例的真实数据（字段值）以及对象本身的元信息（对象头）。

三、栈的功能与数据存储

栈是线程私有的，生命周期与线程相同。它描述的是 Java 方法执行的内存模型。

1. 栈的组成：栈帧
   每个方法在执行时，都会在栈中创建一个对应的栈帧。栈帧内部存储了该方法执行所需的所有数据，主要包括：

   • 局部变量表：
     • 存储内容：这是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。
     • 存储的数据类型：存储编译期可知的各种基本数据类型（boolean, byte, char, short, int, float, long, double）和对象引用。
     • 关键点：局部变量表存放的是对象的引用（可以理解为地址），而对象本身存储在堆中。例如 MyObject obj = ... 中的 obj 这个引用就放在局部变量表里，它指向堆中的实际对象。
   • 操作数栈：
     • 存储内容：这是一个后进先出的栈，用于进行计算方法过程中的中间结果。它是 JVM 执行引擎的工作区。
     • 示例：计算 int a = 1 + 2;，字节码指令会先将 1 和 2 压入操作数栈，然后调用加法指令，从栈顶弹出两个值进行计算，再将结果 3 压回栈顶，最后将这个值存入局部变量表 a 对应的位置。
   • 动态链接：指向方法区中该栈帧所属方法的引用，用于支持方法调用过程中的动态连接（多态的特性基于此实现）。
   • 方法返回地址：存放该方法退出后，程序应该继续执行的下一条指令的地址。

2. 栈的功能：压栈与弹栈

   • 方法调用时压栈：调用一个方法，就创建一个新栈帧并压入栈。
   • 方法返回后弹栈：方法执行完毕，其栈帧被弹出，栈帧中所有数据随之销毁。

   总结：栈里存的是方法执行过程中的“流水线数据”，包括方法的局部变量（基本类型值或对象引用）、计算的中间结果，以及方法调用的链接和返回信息。栈帧随方法调用而生，随方法结束而亡，生命周期很短。

四、方法区（元空间）的组成与数据存储

方法区（在 JDK 8+ 中由元空间实现）是各个线程共享的内存区域，它存储的是已被虚拟机加载的类型信息，可以看作是堆的“逻辑部分”，但物理上不连续。

方法区里到底存了什么数据？

• 类的类型信息：
  • 类的完整有效名称（如 java.lang.Object）。
  • 类的直接父类的完整有效名称。
  • 类的访问修饰符（public, abstract, final）。
  • 类的直接接口的一个有序列表。
• 类的字段信息（字段元数据）：
  • 字段名称、字段类型、字段的访问修饰符。
  • 注意：字段的具体值（如果是非静态字段）存储在堆的对象实例中；如果是静态字段（static 变量），则其值就存储在方法区本身。
• 类的方法信息（方法元数据）：
  • 方法名称、方法的返回类型（或 void）。
  • 方法参数的个数、类型、顺序。
  • 方法的访问修饰符。
  • 方法的字节码指令、异常表等。
  • 注意：方法代码本身是字节码，存储在方法区；但方法执行时的局部变量和中间结果在栈中。
• 运行时常量池：
  • 这是类文件中“常量池表”的运行时常量池。存放编译期生成的各种字面量和符号引用。
  • 字面量：如文本字符串（"Hello"）、被声明为 final 的常量值等。
  • 符号引用：类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符。
• 静态变量：即 static 变量。静态变量是作为类信息的一部分存储在方法区中的。
• 即时编译器编译后的代码缓存：JIT 编译器将“热点代码”（频繁执行的方法/代码块）编译成本地机器代码后，也会存储在这里以提高性能。

总结：方法区（元空间）是类的“蓝图库”或“元信息仓库”，它存储的是类的结构信息，而不是对象的具体数据。它回答了“这个类长什么样子？”的问题。

总结与类比

为了更形象地理解，我们可以用一个比喻：

• 方法区（元空间）：像一个建筑图纸库。里面存放着“房屋类”、“办公楼类”的蓝图（类信息），描述了每种建筑的结构（有哪些房间/字段，房间的用途/方法）。
• 堆：像一片巨大的建筑工地。根据图纸库里的蓝图，new 关键字就像施工队，在这里建起一栋栋真实的房屋对象和办公楼对象（对象实例）。这些建筑内部有实际的家具和人员（实例数据）。
• 栈：像工地上的项目经理的工作台。每个项目经理（线程）有自己的工作台。当他要盖一栋楼（调用一个方法）时，就在工作台上铺开一张临时图纸（栈帧），上面记着当前需要的材料清单（局部变量表）、正在进行的计算（操作数栈）、以及和图纸库的关联（动态链接）。楼盖好了，这张临时图纸就被收走销毁了。