JVM 運行時數據區域

C語言的陰影

還記得剛進大學的時候，覺得這個世界上最難學的不過C語言了。儘管後來陸續學了不少的更難的課程，儘管慢慢掌握了計算機的不少原理以後，回頭來看C語言，彷佛沒那麼難理解，可當年初學C語言時的「陰影」，這麼多年來，一直沒有散去。

我常常還能想到幾年前，懶散的趴在逸夫教學樓F1教室最後一排的座位上，聽蘭書敏老師講着「戲院」（C語言）的場景。蘭老師問到：「大家怎麼都不吭聲？究竟是哪裏聽不懂？」老師，學生當時真是哪哪兒都沒聽懂啊。

 

身在Java，心在C（Java大神勿噴，C對我來講，真是一種情懷）

沒想到，工做一年多的時間裏，用的最多的語言不是對我影響最大的C，而是大學畢業以後現學現賣的Java。因此我對C和Java都算有一點了解。

 

一條有意思的Java面試題

前幾天在搜索一個問題的解決方案時，偶然看到一個Java面試題，以爲網上絕大多數解釋，有些浮於表面。而真神們又不屑於解釋這些無聊的問題，因此以爲有必要站在一個「雙修（殘廢）」者的角度，談談這個問題。

 

Java內存分配

在解釋這個問題以前，我想簡單的記錄一下Java虛擬機對內存的分配管理。

網上有不少關於Java內存管理的講解，但不知道爲何，大多數做者並無系統的講解，有些過於散碎。

咱們先來看看這張圖（我不會畫圖，畫的太醜，各位受累受累了）。簡單的說，Java運行時內存區域，就由上面幾部分構成。青綠色標記的，是每一個線程私有的內存區域，其餘的爲線程共享的內存區域。咱們先簡單的依次說明每一個部分是用來存什麼的，最後再用一個簡單的例子，將各個部分結合起來簡單介紹其內存分配的基本過程。

首先，程序計數器（pc）。這個東西對於不少開發者來講，再熟悉不過了，儘管不一樣領域的pc，具體用法上存在一些小小的差別，但總的來講，pc是用來記錄程序運行到哪裏了，下一步又該執行哪一步操做。pc佔據的內存是線程級的，即隨線程的建立而產生，隨線程的銷燬而銷燬（被回收）。

其次JVM棧和本地方法棧。這兩個棧在存儲結構上，基本相同，以致於不少的JVM產商，將兩者合而爲一。JVM棧，顧名思義，是用來存儲Java方法運行過程當中使用的棧數據，本地方法棧就是用來存儲本地方法執行過程當中的棧數據。棧中存儲的數據，是一種被稱爲「棧幀」的東西。棧幀主要包括：局部變量表和操做數棧。棧幀的入棧和出棧，分別意味着一個方法的執行與結束。

接着，咱們來看看方法區。方法區主要是用來存類型數據的，與類型相關的東西，好比常量，靜態變量，編譯後的代碼等，基本都存儲在這一區域。而由於「無用類」的判斷條件很是苛刻（有三點，第一，該類無可達對象，第二，該類的ClassLoader已被回收，第三，該類的Class對象無引用），這個區域存儲的內容很難會被回收，因此你可能會在不少地方看到「永久代」一詞，其實說的主要也就是這個方法區。方法區中，有個特殊的區域，被劃分（邏輯劃分，不必定爲物理劃分）出來，即「運行時常量池」。運行時常量池，保存着字面量，符號引用等。方法區是線程共享的，隨JVM啓動而建立，JVM退出而銷燬。

最後，是這個堆。堆，在不少領域也有用到。在Java中，堆，是用來存儲對象的相關內容，包括對象的對象頭和實例數據（數組對象還有一個數組的長度）。不一樣的JVM實現，對象可能還包括類型指針（指向對象所屬的類型信息，存在方法區中）和佔位符（虛擬機實現可能須要內存對齊）等。

 

一個簡單的例子

public void test (int result, int num) {
    TestClassB classB = new TestClassB();
    classB.methodB(); 
}

public class TestClassB {
    public void methodB(result, num) {
        int finalResutl = result + num;
        ......
    }
}

//author: Feng_zhulin
//http://cnblogs.com/zhulin-jun

如今假設線程A在執行test方法，並已經執行到TestClassB classB = new TestClassB()。首先，會去判斷類TestClassB有沒有被加載到方法區中，若是沒有，先加載類（類的加載過程不詳細說明，有空能夠寫篇Java類加載過程的博客）入方法區；而後由於執行的是new操做，須要建立一個對象，這時候須要在堆上申請內存（內存分配有不少方案，須要考慮多線程下的線程安全問題等諸多因素，不詳細闡述），用於存放對象的相關數據（對象頭，實例數據，類型指針，佔位符等）；再而後爲TestClassB的成員賦「零值」（不一樣類型的數據，零值不一樣，基本數據類型int的零值爲0，引用類型的零值爲null，等）；最後，設置對象頭。這樣對於JVM來講，對象就建立成功了（後面就是執行類的構造方法了，那是屬於Java語言層面的建立對象的過程）。

上面總說起一個叫作「對象頭」的東西，這個東西跟對象自己沒有什麼關係，存儲的是對象的運行時數據，包括對象的hashcode，對象的鎖狀態，對象持有的鎖等等。好比對象的hashcode，用於指定對象的惟一性，在GC和對象定位等過程當中都會用到。

 

接着，pc加一（此處加一，表示的是加上一個JVM指令的位數，表示的是下一個指令的內存地址），執行下一步：classB.methodB()；這是一個方法調用。正如上面所說，方法的執行和結束，意味着方法棧中，棧幀的進棧和出棧。

 

好滴好滴，又到看圖的時候了（捂臉，我不只不會畫圖，尚未好用的畫圖工具，求推薦mac的良心畫圖工具，若是不是免費的，我只接受有破解版的）。對象在堆中存放，然而，對象的操做，方法的執行，就進入了「棧」。調用methodB()時，methodB()棧幀進棧，棧幀包含局部變量表和操做數棧。由於這個地方的methodB()不是類方法，因此，局部變量表的第一個變量爲調用該方法的類，即classB(this)。操做數棧用於進行當前數據操做，操做結果出操做數棧，並保存進局部變量表。

例子就這樣簡單的結束了，總的來講，就是類進入方法區，建立的對象在堆中，方法執行的時候，在方法棧中。

 

下面，咱們來看這個有意思的Java面試題。

當一個對象被看成參數傳遞到一個方法後，此方法可改變這個對象的屬性，並可返回變化後的結果，那麼這裏究竟是值傳遞仍是引用傳遞？

網上的標配答案：是值傳遞。Java語言的方法調用只支持參數的值傳遞。當一個對象實例做爲一個參數被傳遞到方法中時，參數的值就是對該對象的引用。對象的屬性能夠在被調用過程當中被改變，但對對象引用的改變是不會影響到調用者的。

其實這確實是一個很無聊的問題，原本也沒有太當回事，可是一來，這個問題下面的追問者不少，我查了下知乎，對這個問題的提問者和回答人也不少；二來，答案不夠準確，或者說是，沒講到點子上，有人甚至拿《Java核心卷》裏的三句話做爲答案。

《Java核心卷》對這種問題有以下三句話的描述：

1.一個方法不能修改一個基本數據類型的參數
2.一個方法能夠改變一個對象參數的狀態
3.一個方法不能讓對象參數引用一個新的對象

無可厚非，這三句話總結的很經典，可是這只是簡單的說出告終論，緣由呢？就用這三句話解釋這個問題，給初學者帶來的感受，只是，哦，原來Java還有這麼一個定理（限制）。那麼一個個由JVM規範致使的結果，都成了須要死記硬背的「定理」。

public class Program {
        public static void swap(String x, String y) {
            String temp = x;
            x = y;
            y = temp;
        }

        public static void main (String[] args) {
            String a = "testa";
            String b = "testb";
            swap (a, b);
        }
}

//author: Feng_zhulin
//http://cnblogs.com/zhulin-jun

咱們接着看這段代碼，將它還原到內存中。

圖中「0x」開頭的是十六進制的內存地址，隨便舉的例子。在main()方法調用swap()方法的時候，只是將main的局部變量表中的a和b的值（指向運行時常量池的地址）拷貝到swap的局部變量表中的x和y，在swap的局部變量表中進行的換值操做，並未對main局部變量表起做用，因此，在swap退出前，x的值是「testb」， y的值是「testa」，x與y的值互換了，但a與b的值並無所以而改變。固然，swap退出以後，相應的局部變量表會被回收，也就沒有所謂的x和y了。

這是這個問題所真正涉及的知識點，我很認同知乎上那位朋友的話，沒有必要非得分出個所謂的「值傳遞」和「引用傳遞」。

這邊我順便提一點在C中，是怎麼作到交換上面例子中a和b這兩個值的。

在C中有一個很神奇的東西，名字叫「指針」。能夠很簡單的認爲，它就是地址。那麼「指針的指針」，就是「地址的地址」。上面以「0x」開頭的數據，就是內存地址，若是將這個地址賦值給一個C中的變量，那麼這個變量就稱爲指針變量。那麼咱們徹底能夠經過指針，透過中間變量，直接操做a和b中存儲的內容（此處說的是地址），甚至是直接操做到「testa」和「testb」。

C語言因指針而美麗，卻也因指針而複雜。Java解決了C中內存須要開發者本身管理的問題，也去除了指針的概念，讓程序出錯的機率大幅度下降，卻也由於沒有指針，在我這種裝了兩個半桶漿糊的人眼中，不少地方變的難以想象的臃腫和麻煩。