图解JVM系列：揭秘运行时数据区的设计与实现

大家好，我是大圣，很高兴又和大家见面。

今天给大家带来图解 JVM 系列的第三篇文章，主要讲 JVM 的运行时数据区落地。本次大纲如下：

前面知识回顾

回顾

我把 JVM 的工作流程画了一张图，如下：

下面我把前面两篇文章讲的东西和这张流程图对应一下

第一篇文章

在第一篇文章里面我们说了三个问题：

1. JVM 的核心作用：就是把.class 文件拿来跑跑翻译成机器指令

对应图片中红色框框起来的部分：

2. 代码到 JVM 上的过程：Java 代码会被编译成 .class 文件

对应图片中绿色框框起来的部分：

3. Java 的跨平台优势：Java 字节码（.class 文件）和 JVM 提供了跨平台

第二篇文章

在第二篇文章里面我们说了两个问题，对应图片中绿色框框起来的部分：

1. JVM 加载 class 字节码文件过程

2. 类加载器和双亲委派模型（重点）

小结

通过前面两篇文章的讲解，已经把我们编写的.java 文件编译成 .class 字节码文件的过程讲清楚了，

然后 JVM 加载 .class 字节码文件的过程也讲清楚了。

接下来的文章我们就要深入 JVM 的内部，来讲一下它的内部工作机制等。

JVM 运行时数据区落地

JVM 运行时数据区的设计理念

说起 JVM 运行时数据区很多人都能背出来，比如堆、方法区、虚拟机栈等。如下图：

那你知道 JVM 运行时数据区为什么会这样设计吗？

设计理念

其实 JVM 虚拟机是参考物理机实现的，那我们的物理计算机的实现是遵循一个什么样的模型呢？计算机一般是按照下面这个模型实现的

这图大家学计算机的肯定都不陌生，这是冯·诺依曼结构。下面我就从冯·诺依曼结构推演出我们JVM 运行时数据区的各个部分。

输入输出

其实我们理解 JVM（Java 虚拟机）如何工作时，可以把它比作一台计算机。在物理计算机中，我们有输入设备（如键盘、鼠标）和输出设备（如显示器、打印机）。

对于 JVM 来说，它的“输入”是 Java 的 class 文件，这些文件包含了 Java 程序的字节码。JVM 的任务是将这些字节码“翻译”或转换成机器码，即可以被操作系统直接执行的指令

物理计算机的存储器：

在物理计算机中，存储器是用来存储程序和数据的。它通常包括主存储器（如 RAM）和辅助存储器（如硬盘）。

主存储器存储当前正在执行的程序和需要快速访问的数据。辅助存储器则用于存储大量数据和不常用的程序。

JVM 中的堆和方法区：

堆（Heap）

在 JVM 中，堆是用于存储运行时数据的主要区域，特别是对象实例和数组。

这与物理计算机的主存储器有相似之处，因为它们都用于存储正在使用的数据。JVM 的堆是所有线程共享的，这里面的对象可以被程序中的任何线程访问

方法区（Method Area）

方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。

这与物理计算机中的程序存储区相似，因为它们都存储程序代码和相关数据。

在一些 JVM 实现中，方法区被称作“永久代”（PermGen）或“元空间”（Metaspace），但它的基本功能是相似的。

总结来说，JVM 的堆和方法区在功能上类似于物理计算机的存储器。
JVM 的堆主要用于存储实例数据，就像物理计算机的主存储器用于存储当前正在使用的数据。

而方法区则存储程序代码和静态数据，类似于物理计算机中用于存储程序和长期数据的存储区域。

这两个区域在 JVM 中是至关重要的，因为它们共同支持了 Java 程序的执行和数据存储。

物理计算机的控制器和运算器

在物理计算机中，控制器负责取指令和分析指令，而运算器处理逻辑和算术运算。

这些指令和运算是直接在 CPU 上进行的，CPU 通过各种寄存器和缓存来执行这些操作。

JVM 中的相应实现：

在 JVM 中，执行 Java 字节码的任务是由 JVM 的执行引擎承担的，这相当于物理计算机中的 CPU。

Java 虚拟机栈：

它对应于物理计算机中的控制流程。每当一个新的方法被调用，一个新的栈帧就会被压入 Java 虚拟机栈中。这个栈帧包含了方法的局部变量、操作数栈和方法返回时的状态，这类似于 CPU 在执行一个程序时用到的寄存器。

本地方法栈：

当 Java 程序调用本地（例如 C 语言）方法时，这些方法的执行不是在 Java 虚拟机栈上，而是在本地方法栈上。这反映了物理计算机中处理不同类型指令（比如操作系统调用和应用程序指令）的方式。

程序计数器：

它类似于物理计算机中的指令寄存器，记录着当前线程执行的指令地址。这确保了即使在多线程环境中，每个线程在执行时都能知道接下来要执行哪条指令。

总结来说，JVM 通过这些运行时数据区（Java 虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器）来模拟物理计算机中的控制器和运算器的功能。

每个 Java 线程在 JVM 中都有自己的这些数据区，这允许 JVM 同时执行多个线程，每个线程都有自己的执行上下文，就像物理计算机可以并行处理多个进程或线程一样。

总结

本文回顾

这篇文章主要就讲了运行时数据区的设计理念，就是这个东西它到底是怎么出现的，它是参考我们的物理计算机来设计的。

提起物理计算机设计我们都知道冯·诺依曼结构，然后我根据冯·诺依曼结构推出了我们JVM 运行时数据区的各个部分。

这样以后再说JVM 运行时数据区的时候，大家就不用死记硬背了，可以按照这种设计理念去理解记忆，一直都不会忘记的。

建议

建议大家记住这种 JVM 工作流程图，没事就可以拿出来看一看，然后自己可以对着这张图回想我们文章的内容。

如果有的内容我说的不够深入，大家也可以去深入学习一下。

面试的时候，面试官问到运行时数据区，大家也可以把这种设计理念说给面试官听，面试官会眼前一亮的，觉得你有研究。

预告

我们讲了运行时数据区的设计理念与落地，下一篇文件会说运行时数据区每一部分的作用，然后通过一个真实的代码案例，来讲解运行时数据区每一部分存储的是什么内容等。