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运行时数据区:Runtime-Data-Area，后续简称RDA.

一.为什么需要看jvm运行时数据区（RDA）？

RDA说明了指令执行，对象分配，对象存储，对象读取，对象释放等关键问题，熟悉RDA可以帮助我们分析：

什么情况下会Gc , 频繁gc造成卡顿怎么办？
OOM/StackOverflow是怎么产生的？
指令计数器会发生溢出吗？
并发有什么问题，指令重排是怎么回事，volatile起什么作用？

这些问题不会全部在这一篇回答，但是实打实的，不懂RDA，就如雾里看花，似懂非懂。

二.RDA组成结构

RDA是为了方便存储运行时需要的信息，方便cpu执行指令的时候，查找对应的内容，比如类信息，对象信息，当前运行的指令行号，一些常量信息等等。

RDA 由以下五个部分组成

pc寄存器
虚拟机栈
本地方法栈
堆
方法区

其中，虚拟机栈和方法区相对比较复杂

运行时数据区

1.pc寄存器

线程私有的
对于Java方法，它指向方法当前执行的指令地址
它的大小与系统的位宽一样，因此可以存放任何地址，也因此不会出现oom CPU位数 = CPU中寄存器的位数 = CPU能够一次并行处理的数据宽度

2.虚拟机栈

线程私有
是一个后进先出的栈结构
存储的内容方法执行的上下文，称为栈帧，见下文分析。
在方法执行过程中，开辟的栈帧数量超过上限时，会抛出StackOverflowError
如果栈可以自动扩展空间，并且在扩展空间时无法申请到更多内存，会抛出OutofMemoryError

3.本地方法栈

线程私有
当从java调用public final native xxxx ,被调用的native方法（一般是c/c++）会进入本地方法栈
如果本地方法栈需要调用java方法，会新开一个java栈帧，并压入虚拟机栈
异常处理机制与虚拟机帧一致

4.堆

线程共享
堆空间不要求是连续的内存空间
它存放对象和数组信息
它不需要显示回收，回收工作交给gc处理，回收算法在后续篇幅
当无法申请更多内存，抛出OutOfMemoryError
新创建的对象一般分配在新生代，经过gc之后还存活的对象进入老年代，如果对象过大，新生代内存不够，也可能直接在老年代分配。

5.方法区

线程间共享
当方法区无法满足内存的分配需求时,会出现outOfMemoryError
jdk 7 之前方法区在堆的永久代中，jdk8放到元空间，不占用虚拟机内存大小
存储加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存，这些信息实际上就是对class字节码中的数据做完解析之后装到方法区中的内容

jvm_method_area

具体来说，方法区的存储内容包括

类型信息（class_info）

这里的类型种类包括：class/interface/enum/annotation 对于这些类型，在方法区中保存以下内容：

完整的类型名，即包名.类名
类型的访问限定符 private/public/protected/static/final
直接父类的完整类型名

属性/域信息（field_info）

属性名称
属性访问限定符
属性的类型信息

方法信息（method_info）

方法名称
方法访问限定符
方法返回类型
方法参数类型
异常表 异常表标记了异常处理的指令的开始和结束范围，以及出现异常后pc寄存器应该跳转的指令位置

运行时常量池（constant_pool）

运行时常量池的内容包括了constant_pool中定义的常量信息，一般我们把在class文件中的常量信息称为静态常量池，而加载到虚拟机方法区之后称为运行时常量池，运行时常量池的内容还会存储在运行期间产生的常量。

三.栈帧

栈帧是方法区中虚拟机栈中存储的内容，虚拟机通过它来管理方法的运行。

1.栈帧的定义

A frame is used to store data and partial results, as well as to perform dynamic linking, return values for methods, and dispatch exceptions.

根据定义，栈帧用于存放本地变量表，中间运行结果，动态链接，调用返回数据,处理异常信息以及一些附加信息(比如lock Recoder)。

局部变量表

局部变量的表，用于存放我们的局部变量（方法中的变量）。首先它是一个4字节长度，主要存放我们的Java的八大基础数据类型，如果是64位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，只需要存放它的一个引用地址即可 jvm_local_var

这个例子中，我们创建了a,b,temp,f,g，e 6个局部变量，由于g,e没有被使用，编译器不会将它放到局部变量表中，并且所有的局部变量表的第一个位置放置的都是this引用。

操作数栈

存放java方法执行的操作数的先进后出的栈结构。操作的的元素可以是任意的java数据类型，一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈是空。在运行过程中，会将中间结果存放到操作数栈中。

动态链接

Java语言特性多态，一般确定的方法比如，静态方法或者private方法，不会被重载，因此可以载编译期间，将对方法的引用索引直接替换为方法的地址，这个过程叫做静态绑定。

如果方法不能载编译器确定，那仍然需要保留方法的索引，根据索检索运行时常量区中真实的方法的地址。

方法出口地址

方法调用结束之后，会根据方法出口地址，将pc寄存器中的内容改为方法出口地址 + 1的值，这样当当前方法的栈帧出栈后，pc寄存器就能找到下一条指令继续执行。

异常处理

每个方法都会有一个异常表，当方法中出现try/catch逻辑时，异常表会记录异常表的作用范围，以及出现异常后的跳转地址

jvm_method_exception

如图包含一个try/catch方法，它生成的异常表跳转位置为第6条pc指令，对应源码的位置为第5行，也就是 catch(Exception e) 这个位置。

附加信息

附加信息中比较重要的是lockRecoder,它用于在对象在多线程访问时,记录锁对象的信息,当对象中的偏向锁升级为轻量级锁和重量级锁时,对象的markword中存放的是指向栈中lockRecoder的引用.

2.栈帧的工作原理

线程在运行时，在执行每个方法的时候都会打包成一个栈帧，存储了局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息，然后放入栈。每个时刻正在执行的当前方法就是虚拟机栈顶的栈桢。方法的执行就对应着栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈的过程

jvm_stack_frame

如图，方法一调用方法二，方法二调用方法三，对应虚拟机栈中就存在三个栈帧，栈顶元素为方法三的栈帧，方法三正常执行结束后会根据方法返回地址，返回方法二中当前指令行，依次类推。

Java虚拟机系列三：运行时数据区解析