JVM 内存结构、堆细分、对象生命周期、内存模型全解析

我理解 JVM 内存体系，可以从整体结构、线程私有/共享、对象分配路径、永久代/元空间区别 等几个方面去系统化地看。

JVM 的设计实际上兼顾了：线程隔离、垃圾回收效率、方法元数据存储、栈式执行模型等多个目标。

一、JVM 内存整体结构（JDK8 之后）

JDK8 之后的 JVM 内存区域可以分为两大类：
线程私有区域 和 线程共享区域

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1️⃣ 线程私有（每个线程独占）

这些区域随着线程创建/销毁：

① 程序计数器（PC寄存器）

• 保存当前线程执行的字节码指令地址
• 线程切换后能恢复执行位置
• 没有 OOM 风险

② Java 虚拟机栈（Stack）

• 存储局部变量、操作数栈、方法调用链等
• 每个方法调用对应一个栈帧（Stack Frame）
• 当栈深度过深会抛出：
  • StackOverflowError
  • OutOfMemoryError: unable to create new native thread

③ 本地方法栈（Native Stack）

• 用于存储 native 方法调用
• 与 JVM 栈类似，只是针对 JNI 和本地代码

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2️⃣ 线程共享（所有线程共享）

这些区域属于整个 JVM 进程：

① 堆（Heap）

• JVM 中最大的一块内存
• 所有对象实例、数组都存放在堆中
• 垃圾收集的核心区域
• 会发生 OOM：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

② 方法区（Method Area，JDK8 之后使用 Metaspace）

• 主要存储：
  • 类元数据（Class 信息）
  • 方法信息
  • 常量池
  • 静态变量
• JDK8 之后使用 元空间（Metaspace） 替代永久代

③ 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

• 存放字面量、符号引用、方法引用
• 属于方法区的一部分

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二、永久代（PermGen） vs 元空间（Metaspace）

永久代（JDK7 及之前）

• 存储类元数据、静态变量、常量池等

• 内存大小由 JVM 参数控制，如：

  -XX:PermSize
  -XX:MaxPermSize

• 过多动态类加载会导致：

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

元空间（JDK8+）

• 类元数据不再存于 JVM 内部，而是存在 本地内存（Native Memory）

• 默认可以自动增长，减少 OOM 风险

• 受参数限制：

  -XX:MetaspaceSize
  -XX:MaxMetaspaceSize

设计意图：

• 永久代经常 OOM，且垃圾回收对它管理不佳
• 将类元数据移至本地内存后，更加灵活、安全

三、堆内存的细分结构（非常重要）

Java 堆分为两个区域：

Java Heap
├── 新生代（Young Generation）
│   ├── Eden（伊甸园）
│   └── Survivor（S0/S1）
└── 老年代（Old Generation）

新生代（Young）

• 新生分配的对象都在 Eden
• 当 Eden 填满时触发 Minor GC
• 存活对象转移到 Survivor 区

Survivor 区采用：

S0 与 S1 轮换（复制算法）
一个 Always Empty，一个接收复制对象

老年代（Old）

• 经多次 GC 仍存活的对象晋升到老年代
• 老年代使用标记-整理(Mark-Compact) 或 CMS/ G1/ ZGC

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四、JVM 中对象的分配过程（HotSpot 为例）

对象分配总体流程如下：

① new 对象 → 先检查栈上是否能分配（逃逸分析）

如果方法内对象没有逃逸到外部：

• JVM 会直接在栈上分配（Stack Allocation）
• 无 GC 压力
• 还会触发锁消除、标量替换等优化

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② 大部分对象在 Eden 区分配

• Eden 内存足够：
  直接在 Eden 分配（使用指针碰撞 Bump-the-pointer）
• Eden 不够 → 触发 Minor GC

③ Minor GC 之后，存活对象进入 Survivor S0

标记对象 → 拷贝到 S0 → 清空 Eden

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④ 多次 Minor GC 后，对象晋升到老年代

晋升条件包括：

• 对象达到年龄阈值（默认 15）
• Survivor区放不下（担保机制）

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⑤ 大对象可能直接进入老年代

例如大型数组

参数控制：

-XX:PretenureSizeThreshold

五、垃圾回收过程（对象生命周期本质上是 GC 过程）

对象在堆中的生命周期本质上是：

创建 → 存活 → 晋升 → 回收

新生代 GC（Minor GC）

• 频繁发生
• 使用复制算法（清理快）

老年代 GC（Major/Full GC）

• 较少发生
• 用标记-整理或 CMS/G1/ZGC
• 停顿较长

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六、JVM 有哪些类加载机制（补充整合）

三种主要方式：

1. 隐式加载

• new 对象
• 调用静态方法
• 调用静态变量
• 反射

2. 显式加载

• Class.forName()（会初始化）
• ClassLoader.loadClass()（只加载不初始化）

3. 自定义类加载器

• 用于模块隔离、热加载、服务发现

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七、对象能否被回收的判断方式（可达性分析 GC Roots）

GC Roots 包括：

• 栈帧中的局部变量表
• 方法区中的静态变量
• JNI 本地方法引用
• 常量池引用

八、JVM 内存整体总结图（重点）

        线程私有
        --------------------------
        | 程序计数器 PC         |
        | Java栈 Stack          |
        | 本地方法栈 Native     |
        --------------------------

        线程共享
        --------------------------
        |      Heap（堆）        |
        |  ├─ Eden             |
        |  ├─ S0 / S1          |
        |  └─ Old              |
        --------------------------
        |  方法区（Metaspace）   |
        |  运行时常量池          |
        --------------------------

九、个人理解总结（面试很加分）

我认为 JVM 的内存结构整个核心目标是：
让对象分配高效（Eden、TLAB）、让 GC 有效分代（新生代+老年代）、让类元数据分离（Metaspace）、让线程隔离执行（栈+PC）

JVM 的设计体现了一个"以 GC 为中心的内存管理哲学"，所有区域的划分都是为了提升 GC 和执行效率。

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🔥 一句话总总结

JVM 内存由线程私有（PC/Stack/Native Stack）与线程共享（Heap/Metaspace）组成；

堆分为年轻代和老年代，采用分代收集；

对象分配优先 Eden，存活晋升老年代；

元空间替代永久代，不再 OOM 于 PermGen；

类加载遵循生命周期与双亲委派模型。