java基础-jvm内存模型

JVM（Java Virtual Machine，Java虚拟机）的内存模型（运行时数据区域）是其核心组成部分，用于管理程序运行过程中的各类数据。根据《Java虚拟机规范》，JVM的内存结构可分为以下6大区域（部分区域为线程私有，部分为线程共享）：

一、程序计数器（Program Counter Register）

线程私有，是一块较小的内存空间，用于记录当前线程正在执行的字节码指令的行号（或Native方法的执行状态）。

• 核心作用：当线程被切换时（如CPU时间片用完），程序计数器用于恢复线程的执行位置（类似“断点续跑”）。
• 特性：
  • 唯一不会抛出内存溢出（OOM）的区域；
  • 若当前线程执行的是Java方法，计数器存储的是字节码指令地址；若执行的是Native方法（如C/C++实现的本地方法），计数器值为undefined。

二、Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

线程私有，每个线程在创建时会分配一个虚拟机栈，用于存储方法调用的栈帧（Stack Frame）。

• 栈帧结构：每个方法调用对应一个栈帧，包含：
  • 局部变量表：存储方法参数、局部变量（基本类型、对象引用）；
  • 操作数栈：用于字节码指令的运算（如iadd指令需从操作数栈取两个数相加）；
  • 动态连接：指向运行时常量池中该方法的引用（用于方法调用的动态绑定）；
  • 方法出口：记录方法执行完毕后返回到上层方法的地址。
• 异常场景：
  • 若线程请求的栈深度超过JVM允许的最大值（如递归过深），抛出StackOverflowError；
  • 若栈可动态扩展（如HotSpot默认固定大小），但扩展时无法申请到内存，抛出OutOfMemoryError（OOM）。

三、本地方法栈（Native Method Stacks）

线程私有，与虚拟机栈功能类似，但用于执行Native方法（如Java调用C/C++实现的方法，如Object.hashCode()）。

• HotSpot特性：HotSpot虚拟机直接将本地方法栈与虚拟机栈合并（统一管理）。

四、Java堆（Java Heap）

线程共享，是JVM管理的最大内存区域，所有对象实例（如new Object()）和数组均在此分配内存。

• 核心作用：Java堆是垃圾回收（GC）的主要区域，因此也被称为“GC堆”。
• 内存划分（分代设计）：为优化GC效率，堆通常分为：
  • 新生代（Young Generation）：存放新创建的对象，分为：
    • Eden区（对象初始分配的主区域）；
    • Survivor区（S0、S1，用于存放GC后存活的对象）。
  • 老年代（Old Generation/Tenured Generation）：存放多次GC后仍存活的对象（如长生命周期的缓存对象）。
• 异常场景：若堆内存不足且无法扩展，抛出OutOfMemoryError: Java heap space。

五、方法区（Method Area）

线程共享，用于存储类的元数据（如类的结构、字段、方法、接口）、运行时常量池（Runtime Constant Pool）、静态变量（static修饰的变量）等数据。

• JDK版本差异：
  • JDK7及之前：方法区用“永久代（PermGen）”实现，内存限制受JVM参数（如-XX:MaxPermSize）控制，且与堆共享内存；
  • JDK8及之后：方法区用“元空间（Metaspace）”实现，内存直接使用本地内存（不受JVM堆限制），参数改为-XX:MaxMetaspaceSize（默认无限制，可能导致本地内存溢出）。
• 运行时常量池（Runtime Constant Pool）：
  • 是方法区的一部分，存储编译期生成的字面量（如字符串、数字）和符号引用（如类名、方法名）；
  • 支持动态扩展（如String.intern()可将字符串添加到常量池）。

六、直接内存（Direct Memory）

非JVM规范定义区域，但被频繁使用（如NIO的ByteBuffer）。它通过Unsafe或ByteBuffer直接分配堆外内存（本地内存），避免了Java堆与本地内存的拷贝开销。

• 异常场景：若本地内存不足，可能抛出OutOfMemoryError（常见于大量使用NIO的应用）。

关键总结：JVM内存模型 vs Java内存模型（JMM）

需注意区分两个易混淆概念：

• JVM内存模型：本文讨论的“运行时数据区域”，关注内存的物理划分（如堆、栈、方法区）；
• Java内存模型（JMM，Java Memory Model）：JVM定义的一组规则，用于规范多线程间的内存可见性、原子性和有序性（如通过volatile、synchronized实现），是逻辑模型而非物理区域划分。

附：JVM内存参数示例（JDK8+）

实际开发中，可通过JVM参数调整各区域大小（以HotSpot为例）：

# 堆内存：最小256M，最大512M
-Xms256m -Xmx512m  

# 新生代大小：128M（Eden:S0:S1=8:1:1）
-XX:NewSize=128m -XX:SurvivorRatio=8  

# 元空间：最大256M（本地内存）
-XX:MaxMetaspaceSize=256m  

# 栈大小：每个线程栈1M（默认1M，减少可增加线程数）
-Xss1m