JVM运行时数据区域之PCRegister和虚拟机栈

运行时数据区域

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据

区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启

动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java 虚

拟机规范》的规定，Java 虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如图

所示。

 

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当

前线程所执行的字节码的行号指示器。在 Java 虚拟机的概念模型里，字节码解释器工

作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制

流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数

器来完成。

由于 Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现

的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执

行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需

要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内

存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在《Java 虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError 情况的区域。

Java 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，

它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的线程内存模型：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，

就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

经常有人把 Java 内存区域笼统地划分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种划

分方式直接继承自传统的 C、C++程序的内存布局结构，在 Java 语言里就显得有些粗糙

了，实际的内存区域划分要比这更复杂。不过这种划分方式的流行也间接说明了程序员

最关注的、与对象内存分配关系最密切的区域是“堆”和“栈”两块。其中，“堆”在稍后笔

者会专门讲述，而“栈”通常就是指这里讲的虚拟机栈，或者更多的情况下只是指虚拟机

栈中局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各种 Java 虚拟机基本数据类型（boolean、byte、

char、short、int、 float、long、double）、对象引用（reference 类型，它并不等同于对象

本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或

者其他与此对象相关的位置）和 returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中 64 位

长度的 long 和 double 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局

部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈

帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大

小。请读者注意，这里说的“大小”是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间

（譬如按照 1 个变量槽占用 32 个比特、64 个比特，或者更多）来实现一个变量槽，这

是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。在《Java 虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：如果线程请求的

栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；如果 Java 虚拟机栈

容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出 OutOfMemoryError 异

常。