JVM内存模型的结构详解

JVM内存模型的核心是运行时数据区 ，它是JVM在运行Java程序时划分的内存区域，用于存储程序执行过程中需要的各类数据。根据《Java虚拟机规范》，JDK 8及以后版本的JVM运行时数据区可分为 线程私有区域 和 线程共享区域 两大类，另外还有一块特殊的直接内存（堆外内存），虽不属于规范定义的运行时数据区，但在实际应用中频繁使用。

一、线程私有区域

线程私有区域的生命周期与线程完全一致，线程创建时分配内存，线程终止时释放内存，不存在线程安全问题。主要包含3个区域：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈。

1. 程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块极小的内存空间 ，可以看作是当前线程执行的字节码指令的行号指示器。

核心功能
1. 记录当前线程正在执行的Java方法的字节码指令地址；如果执行的是native方法（由C/C++实现，非Java代码），计数器值为undefined。
2. 支持线程切换：CPU通过时间片轮转调度线程，线程切换后，需要通过程序计数器恢复到切换前的执行位置，保证线程能继续执行。
关键特性
- 是JVM运行时数据区中唯一不会抛出OutOfMemoryError的区域，因为它占用的内存空间固定且极小。
- 线程私有：每个线程都有独立的程序计数器，互不干扰。

2. 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

虚拟机栈是描述Java方法执行的内存模型 ，每个方法在执行时都会创建一个栈帧（Stack Frame），栈帧是方法执行的基本单位，存储方法的局部变量、操作数、动态链接等信息。

核心结构：栈帧 一个栈帧包含4个部分：
1. 局部变量表 ：存储方法的局部变量（如方法参数、方法内定义的变量），包括基本数据类型（byte、int等）、对象引用（指向堆中对象的地址）、returnAddress类型（指向字节码指令的地址）。局部变量表的大小在编译期确定，运行时不会改变。
2. 操作数栈 ：作为方法执行的临时数据存储区，用于存放计算过程中的中间结果。例如执行a + b时，会先将a和b压入操作数栈，再弹出计算，最后将结果压回栈中。
3. 动态链接：指向运行时常量池的方法引用。Java方法在编译时会以符号引用的形式存储在常量池，运行时需要将符号引用转换为直接引用（即方法在内存中的实际地址），这个过程就是动态链接。
4. 方法返回地址：记录方法执行完毕后，需要返回的字节码指令地址。方法正常执行完会返回这里，异常退出时则通过异常处理器处理，无需记录返回地址。
生命周期 方法调用时，栈帧入栈；方法执行完毕时，栈帧出栈并释放内存。栈帧的入栈和出栈遵循先进后出（FILO） 原则。
常见异常
1. StackOverflowError ：当线程请求的栈深度超过虚拟机栈的最大容量时抛出，典型场景是无限递归调用。
2. OutOfMemoryError：当虚拟机栈可以动态扩展（大部分JVM实现支持），但扩展时无法申请到足够内存时抛出。

3. 本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈的作用与虚拟机栈类似，区别在于服务对象不同 ：虚拟机栈为Java方法服务，本地方法栈为native方法服务（如System.currentTimeMillis()、Object.hashCode()等底层方法）。

实现细节
- 不同JVM对本地方法栈的实现差异较大，例如HotSpot虚拟机直接将本地方法栈与虚拟机栈合并实现，两者共享同一块内存区域。
常见异常 与虚拟机栈完全一致，会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

二、线程共享区域

线程共享区域由所有线程共同访问，生命周期与JVM一致，JVM启动时创建，关闭时销毁，是垃圾回收（GC）的主要战场。主要包含2个区域：堆、方法区。

1. 堆（Heap）

堆是JVM运行时数据区中最大的一块内存空间 ，也是对象实例和数组的唯一存储区域 （几乎所有通过new关键字创建的对象都存放在堆中）。

核心特性
1. 线程共享 ：所有线程都可以访问堆中的对象，因此多线程操作堆中对象时需要通过volatile、synchronized等机制保证线程安全。
2. 垃圾回收重点：堆中存储的对象由垃圾收集器自动回收，开发者无需手动释放内存。堆的内存大小可以通过JVM参数动态调整。
3. 可扩展性 ：堆的初始大小和最大大小可通过参数配置：
  - -Xms：堆的初始内存大小，默认值为物理内存的1/64；
  - -Xmx：堆的最大内存大小，默认值为物理内存的1/4；
  - 建议将-Xms和-Xmx设置为相同值，避免JVM在运行时频繁扩容堆内存，导致性能损耗。
堆的细分结构（分代模型） 为了提高垃圾回收效率，HotSpot虚拟机将堆划分为 新生代 和 老年代，采用"分代收集"的垃圾回收策略。
erlang 复制代码
```
堆 = 新生代（约占1/3） + 老年代（约占2/3）
新生代 = Eden区（约占80%） + Survivor 0区（S0，约占10%） + Survivor 1区（S1，约占10%）
```
1. 新生代 ：存储新创建的对象，垃圾回收频率高，回收速度快（采用Minor GC ）。
  - Eden区：新对象优先分配到Eden区，当Eden区满时触发Minor GC，存活的对象会被转移到S0区。
  - Survivor区（S0/S1） ：两个Survivor区始终有一个为空，用于存放Minor GC后存活的对象。下次Minor GC时，将当前非空Survivor区的存活对象转移到另一个空的Survivor区，同时清空原Survivor区。对象在Survivor区中每存活一次，年龄就增加1。
2. 老年代 ：存储存活时间较长的对象，垃圾回收频率低，回收速度慢（采用Major GC/Full GC ）。
  - 当对象在Survivor区的年龄达到阈值（默认15，可通过-XX:MaxTenuringThreshold调整），会被转移到老年代。
  - 大对象（如超大数组）会直接进入老年代 ，避免在新生代中频繁复制（可通过-XX:PretenureSizeThreshold设置大对象阈值）。
  - 当老年代内存不足时，会触发Major GC；若Major GC后内存仍不足，则触发Full GC（回收整个堆+方法区），Full GC会导致程序卡顿，应尽量避免。

2. 方法区（Method Area）

方法区用于存储类的元数据信息、常量、静态变量、即时编译器（JIT）编译后的代码等数据，也被称为"永久代"（JDK 7及之前）或"元空间"（JDK 8及之后）。

核心存储内容
1. 类的元数据：类的全限定名、字段信息（变量名、类型、修饰符）、方法信息（方法名、参数、返回值、修饰符）、父类信息、接口信息等。
2. 运行时常量池 ：是方法区的一部分，存储编译期生成的字面量 （如字符串常量"hello"、基本数据类型常量100）和符号引用（如类名、方法名、字段名的引用）。JDK 7及以后，字符串常量池被移到堆中。
3. 静态变量 ：被static修饰的变量，属于类而非对象，直接存储在方法区。
4. JIT编译后的代码：JVM的即时编译器会将热点代码（频繁执行的代码）编译为机器码，优化执行效率，编译后的机器码也存储在方法区。

版本演进（核心变化） 方法区的实现是JVM内存模型的重要变更点，不同JDK版本差异显著：

JDK版本	实现名称	内存来源	常见溢出异常
JDK 7及之前	永久代（PermGen）	JVM堆内存	`java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space`
JDK 8及之后	元空间（Metaspace）	本地内存（操作系统内存）	`java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace`

变更原因：永久代的大小受JVM堆内存限制，容易因动态生成类（如Spring AOP、CGLIB代理）导致溢出；元空间使用本地内存，默认无上限（可通过参数限制），大幅降低了溢出风险。

元空间参数配置（JDK 8+）
1. -XX:MetaspaceSize：元空间的初始大小，也是触发Full GC的阈值，默认约21MB；
2. -XX:MaxMetaspaceSize：元空间的最大限制，默认无上限，建议设置为256m~1g，避免占用过多系统内存；
3. -XX:MinMetaspaceFreeRatio：元空间空闲比例低于该值时触发扩容，默认40%；
4. -XX:MaxMetaspaceFreeRatio：元空间空闲比例高于该值时触发缩容，默认70%。

三、特殊区域：直接内存（Direct Memory）

直接内存不属于JVM运行时数据区 ，而是JVM直接向操作系统申请的堆外内存，通过java.nio.DirectByteBuffer类访问。

核心优势
1. 访问速度快：直接内存避免了JVM堆与操作系统内存之间的数据拷贝，适合大文件IO、网络通信等场景（如Netty框架大量使用直接内存）。
2. 不受JVM堆大小限制：直接内存的大小仅受操作系统总内存限制。
关键注意事项
1. 需要手动管理 ：直接内存的回收不依赖JVM的垃圾收集器 ，需通过Cleaner机制或调用System.gc()触发回收，若管理不当容易导致内存泄露。
2. 可通过参数限制 ：-XX:MaxDirectMemorySize：设置直接内存的最大上限，默认与堆的最大内存（-Xmx）一致；若分配的直接内存超过该值，会抛出OutOfMemoryError。