JVM 内存模型全景解析

文章目录

- [1. 全局概览：JVM 内存的五脏六腑](#1. 全局概览：JVM 内存的五脏六腑)
- - [1.1 内存模型架构图](#1.1 内存模型架构图)
- [2. 线程私有区域：精准控制执行流](#2. 线程私有区域：精准控制执行流)
- - [2.1 程序计数器 (Program Counter Register)](#2.1 程序计数器 (Program Counter Register))
  - [2.2 虚拟机栈 (VM Stack)](#2.2 虚拟机栈 (VM Stack))
  - - 栈帧内部结构图
- [3. 线程共享区域：海量数据存储](#3. 线程共享区域：海量数据存储)
- - [3.1 堆 (Heap)](#3.1 堆 (Heap))
  - - 对象在堆中的流转
  - [3.2 方法区 (Method Area) / 元空间 (Metaspace)](#3.2 方法区 (Method Area) / 元空间 (Metaspace))
- [4. 综合视角：一个对象是如何创建的？](#4. 综合视角：一个对象是如何创建的？)
- - 对象创建流程图
  - 内存指向示意

对于 Java 开发者而言，JVM（Java Virtual Machine）内存模型不仅仅是面试中的高频考点，更是解决 OutOfMemoryError (OOM) 和 StackOverflowError 等线上故障的理论基石。

本文将带你深入 JVM 的运行时数据区（Runtime Data Areas），通过图解和代码示例，彻底搞懂 Java 内存的布局与运作。

1. 全局概览：JVM 内存的五脏六腑

JVM 在执行 Java 程序时，会将管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有的随着虚拟机启动而创建，有的则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

我们可以将 JVM 内存划分为两大类：线程私有（Thread Local） 和 线程共享（Thread Shared）。

1.1 内存模型架构图

JVM 运行时数据区
🔒 线程私有区域
🧵 线程共享区域
方法区 / Metaspace

(类信息, 常量, 静态变量)
堆内存

(对象实例, 数组)
虚拟机栈

(Java 方法执行)
本地方法栈

(Native 方法执行)
程序计数器

(当前指令地址)
执行引擎
本地库接口

2. 线程私有区域：精准控制执行流

这部分内存区域的生命周期与线程相同，随线程而生，随线程而灭。因为是线程私有的，所以不需要考虑线程安全问题。

2.1 程序计数器 (Program Counter Register)

作用：当前线程所执行的字节码的行号指示器。
特点：这是 JVM 规范中唯一一个没有规定 OutOfMemoryError 的区域。
比喻：就像看书时的"书签"，记录读到了哪里，下次回来接着读。

2.2 虚拟机栈 (VM Stack)

这是 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)。

栈帧内部结构图

栈帧 (Stack Frame) 局部变量表 (Local Variable Table)
存储: boolean, byte, char, short, int, float, reference... 操作数栈 (Operand Stack)
中转站: 算术运算的地方动态链接 (Dynamic Linking)
指向常量池的方法引用方法返回地址 (Return Address)
恢复上层方法状态

异常：
- StackOverflowError: 线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度（通常是递归过深）。
- OutOfMemoryError: 如果栈可以动态扩展，扩展时无法申请到足够的内存。

3. 线程共享区域：海量数据存储

这部分区域由所有线程共享，是 JVM 内存管理的重头戏，也是垃圾收集器（GC）主要工作的区域。

3.1 堆 (Heap)

作用：存放对象实例和数组。
结构：为了更好地回收内存，堆通常被划分为新生代 (Young Gen) 和 老年代 (Old Gen)。

对象在堆中的流转

老年代 Survivor区(S0/S1) Eden区分配器老年代 Survivor区(S0/S1) Eden区分配器对象优先在 Eden 分配 Minor GC (Young GC) 发生经过多次 GC (默认15岁) Major GC / Full GC 清理老年代 new Object() 存活对象复制到 S0 晋升到老年代

3.2 方法区 (Method Area) / 元空间 (Metaspace)

作用：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等。
演变：
- JDK 7 及之前：称为"永久代" (PermGen)，位于堆中。
- JDK 8 及之后：称为"元空间" (Metaspace)，使用本地内存 (Native Memory)，不再受 JVM 堆大小限制，只受限于物理内存。

4. 综合视角：一个对象是如何创建的？

当我们在代码中写下 Object obj = new Object(); 时，JVM 内部发生了什么？这涉及到了栈、堆和方法区的协同工作。

对象创建流程图

No
Yes
No
No
Yes
开始
类是否已加载?
类加载器加载类信息

存入方法区/元空间
堆内存是否足够?
触发 GC
GC后内存足够?
抛出OutOfMemoryError
在堆中划分内存块
初始化零值

(int=0, boolean=false)
设置对象头

(哈希码, GC分代年龄, 锁状态)
执行方法
将堆地址赋值给栈中的引用变量
结束

内存指向示意

java 复制代码

public void method() {
    // "user" 引用存在于 [虚拟机栈] 的局部变量表中
    // "new User()" 实例存在于 [堆] 中
    User user = new User(); 
}

栈 (Stack) : 存储引用 user (本质是一个内存地址，如 0x1234).
堆 (Heap) : 存储 User 对象的实例数据 (地址 0x1234).
方法区 (Method Area) : 存储 User 类的类型信息 (字段定义、方法字节码等).
对象头: 堆中的对象头里有一个指针，指向方法区中的类元数据。

理解 JVM 内存模型是编写高性能、高稳定性 Java 代码的关键：

栈 (Stack) 管运行：处理方法调用，空间小，速度快，线程私有。
堆 (Heap) 管存储：存放对象实例，空间大，垃圾回收的主战场，线程共享。
方法区 (Method Area) 管类信息：存放 Class 结构，JDK 8 后变为元空间。
程序计数器 (PC) 管流程：记录执行位置，唯一不会 OOM 的区域。

掌握这些区域的职责与交互，能让你在面对复杂的并发问题和内存溢出故障时，做到心中有数，游刃有余。