JVM - 运行时数据区
计算机架构的本质，是在有限资源的约束下，通过一系列精妙的权衡，来追求极致的性能。在冯·诺伊曼体系下，CPU(中央处理器)、内存(Memory)、输入输出设备(I/O，磁盘)，这三样构成了计算机硬件系统的最核心的闭环。任何想实现高性能、高稳定的程序，都必须将这三大核心资源的利用率和特性纳入设计考量，忽略其中一个任何一项，都可能导致程序出现瓶颈、延迟和崩坏。JVM架构也必须围绕这三大核心资源来设计，好消息是，JVM无需直接操作这些硬件，而是通过操作系统提供的抽象层来间接的管理它们。 在JVM引论里面，我们说詹姆斯·高斯林为解决C/C++的一些问题，引入了三大特性：可移植性、安全性和健壮性、简单性。我们从可移植性、安全性和健壮性出发，来看看JVM是如何实现的。
可移植性
为了解决可移植性，java采用中间语言的形式来实现，这个中间语言就是字节码(Class文件)。也就是说，JVM只认字节码，任何形式的高级语言，只要能够编译成字节码文件，符合java虚拟机规范，都能够被JVM所读取运行。由于计算机三大件间运行速度的巨大鸿沟，而编写好的Class文件，存储在磁盘上(或远程服务器)，如果每次需要一个类的信息都去磁盘上获取，严重影响性能。此时内存就登场了，把已经加载过的Class文件信息保存在内存中，后续再使用时，直接从内存获取，而无需去磁盘加载。保存Class文件内容信息的地方就是方法区。
方法区(Method Area)
JVM的"信息中心"，存放了关于类本身的元数据(MetaDate)，包括如下内容：
类型信息：是每个被加载的类的"蓝图"或"元数据"。JVM需要这些信息来准确知道如何实例化对象、如何调用方法。包括类的完整限定名、类的直接父类的完整限定名、类的类型(类、接口)、类的访问修饰符、实现的接口列表、字段信息(字段名称、类型、访问修饰符)、方法信息(方法名称、返回类型、参数类型、访问修饰符、字节码指令、异常表等)；
运行时常量池：是每个类独有的，是Class文件中”常量池表“的运行时表示形式。包括字面量(文本字符串、final修饰的基本类型静态变量的值、其他基本类型的值)、符号引用(需要在运行时转换为直接引用)。
静态变量：即被static修饰的变量。需要注意的是，静态变量本身(变量的引用和基本类型值)存储在方法区，但是如果静态变量是引用类型，则它指向的对象实例存储在堆中；
即时编译器编译后的代码：”热点代码“被编译成的本地机器码也存储在这里，下次调用就直接使用高效本地代码，大幅提升执行速度；
方法表：实现虚方法的多态调用。
在《java虚拟机规范》中，方法区被定义为一个逻辑概念，这就给了各个不同厂商自由发挥的空间。以当前最流行的HotSpot虚拟机来说，在JDK8之前，方法区是堆的一部分，也被称为"非堆"(即JVM自身运行使用的、用于存储和Java对象无关的数据的内存区域)；在JDK8及以后版本，方法区则由"元空间"(使用本地内存，不再占用Java堆空间)替代。 巧妇难为无米之炊。方法区就像一个中央仓库，它不直接参与生产，却为整个JVM高效、正确的运行提供了最根本的信息支持。
安全性和健壮性
C/C++由于指针操作和手动管理内存容易导致系统崩溃(太过自由是有风险的)，java的安全性和健壮性主要是为了解决这个问题。既然人工管理内存容易出问题，那人工就别管理了，直接交给程序做(垃圾收集器GC)，程序员就专注于业务逻辑。既然要管理，集中、有序效率就会更高(GC效率更高)。
堆(Heap)
Java堆是JVM所管理的内存中最大的一块，在虚拟机启动时创建，唯一目的就是为了存放对象实例。《java虚拟机规范》中的描述是：”所有的对象实例及数组都应该在堆上分配“，但随着Java技术的发展，逃逸分析等技术的越发成熟，栈上分配、标量替换等优化手段能够减少不必要的堆上分配。”所有对象实例及数组，逻辑上都是在堆上分配“的说法如今可能更准确。堆是JVM垃圾收集的主要工作区域。
需要注意一下的是，Java堆和操作系统的堆在中文虽然都叫做"堆"，但是两个完全不同层次的概念，解决的问题也完全不同。操作系统堆是操作系统提供的一个底层原始内存管理机制，管理并分配一块虚拟地址内存空间给进程，用于满足其动态内存需求；Java堆是Java虚拟机在操作系统之上抽象出来的一个高级对象管理生态系统，专属于Java程序。
程序计数器(Program Counter Register)
线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。JVM本身就是一个运行在操作系统之上的用户态进程。它必须遵守操作系统的所有规则。现代操作系统基于时间片的线程调度机制，操作系统给时间片，JVM就有资源来干点事了，具体干啥，是虚拟机栈说了算。既然是采用时间片轮转的方式轮流使用CPU，对每个线程来说，就需要进行现场保护(线程挂起时保存线程执行状态(上下文))和现场恢复(恢复上下文)，程序计数器就是就是保存和恢复上下文的最关键的信息之一。程序计数器是一块较小的、线程私有的内存空间，可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器。如果没有程序计数器，线程切换回来之后，不知道之前执行到哪儿了，程序将无法正常运行。
虚拟机栈(VM Stack)
虚拟机栈是线程私有的内存区域，用于支持Java方法的调用和执行。每个线程在创建时都会分配一个独立的虚拟机栈，其生命周期与线程相同。每个方法被执行的时候，java虚拟机都会同步创建一个栈帧(Stack Frame)，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，就对应着一个虚拟机栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。更详细的信息在后续的虚拟机执行引擎篇章介绍。
本地方法栈(Native Method Stack)
Java的强大之处在于它"万物皆对象"的单一语言体系和强大的跨平台能力。但有时它需要与外部世界打交道：与操作系统交互(执行一些java本身无法完成的操作，比如硬件操作)、访问已有的本地库(重用大量C/C++编写的成熟库)等等。为了执行这些代码，JVM必须提供类似执行Java方法时的运行时环境，这就是本地方法栈。 总结一下是：本地方法栈是JVM为执行本地方法服务的运行时数据区。它是线程私有的，生命周期与线程相同。指的是那些用非Java语言(通常是C/C++)编写，并编译成本地机器码的方法，在Java中使用native关键字声明，没有方法体。
同一个线程，同时会拥有虚拟机栈和本地方法栈，当执行Java代码时，程序计数器指向的是虚拟机栈中的指令地址；当线程执行本地方法时，程序计数器的值为空(undefined)，因为执行的是本地机器码，不在JVM管辖之内；在HotSpot等主流实现中，本地方法栈和虚拟机栈合二为一，没有严格区分。
运行时数据区
通过上面介绍，我们再来重温下那张驰名中外的架构图。运行时数据区是JVM的骨架和血液系统，它定义了数据存于何处、如何交互、如何管理，是理解JVM所有行为的基础。
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参考资料：周志明老师《深入理解Java虚拟机》
