JVM篇1:java的内存结构 + 对象分配理解

作为 Java 开发者，我们每天都在写 new Object()，但你是否想过，这行简单的代码背后，JVM 到底做了什么？它是如何管理内存的？对象到底被分配到了哪里？

本文将基于 JVM 的运行机制，深入剖析运行时数据区（Runtime Data Area）的内部结构，并还原一个对象从创建到分配内存的完整链路。

一、 什么是 JVM？

编译 + 管理， 简单来说，jvm的作用就是完成对代码的处理，让它运行， 并对一些垃圾进行回收。java之所以可以跨平台也多亏了jvm。

JVM（Java Virtual Machine）是 Java 程序运行的核心环境。它的主要职责可以概括为两点："翻译官" 和 "大管家"。

• 翻译官：它屏蔽了底层操作系统的差异，让你写的 Java 代码可以"一次编写，到处运行"。

• 大管家：它负责内存的自动分配和垃圾回收（GC），把程序员从繁琐的内存管理中解放出来。

JVM 的宏观运行流程

1. 编译 ：Java 源代码（.java）被编译器编译成字节码文件（.class）。

2. 加载 ：类加载系统 将字节码装载到运行时数据区。

3. 运行 ：执行引擎 负责将字节码翻译为底层系统指令交由 CPU 执行。

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二、 内存结构：运行时数据区

我们常说的 JVM 内存结构，指的就是 运行时数据区 。根据线程私有 和线程共享，可以将其划分为两大类。

1. 线程私有区域（图上蓝色区域）

这部分内存随着线程的创建而创建，随着线程的结束而销毁。这也是垃圾回收（GC）不需要关注的区域。

• 程序计数器 (Program Counter Register)

  • 作用 ：记住下一条jvm指令的执行地址!从而保证程序执行的有序性!

  • 本质：物理上通常通过 CPU 的寄存器实现。

  • 特点：它是 JVM 中唯一不会发生内存溢出（OOM）的区域。

• 虚拟机栈 (VM Stack)

  • 别名 ：线程栈。

  • 核心组成 ：栈帧 (Stack Frame)。每个方法被调用时，都会创建一个栈帧，压入栈中；方法执行完毕，栈帧出栈。

  • 栈帧存储内容：方法参数、局部变量表、操作数栈、方法返回地址。

  • 异常 ：如果方法递归调用过深（如死循环），会导致 java.lang.StackOverflowError。

• 本地方法栈 (Native Method Stack)

  • 作用 ：为 native 方法服务。

  • 背景：Java 有时无法直接操作底层硬件或系统资源，需要通过 JNI（Java Native Interface）调用 C 或 C++ 编写的本地方法。

2. 线程共享区域（图上粉色区域）

这部分是所有线程都能访问的区域，也是 垃圾回收（GC）的主战场。

• 堆 (Heap)

• 作用 ：保存对象实例 。它是 JVM 管理的最大一块内存区域。

  • 逻辑划分：

    • 年轻代 (Young Generation)：存放生命周期短的对象。

    • 老年代 (Old Generation)：存放生命周期长的对象。

  • 演进：

    • JDK 1.7：堆中还包含永久代（方法区的实现）。

    • JDK 1.8：永久代移除，方法区移至本地内存。

• 方法区 (Method Area)（可以理解为接口，永久代和元空间可以理解为他的实现类）

  • 作用：存储类信息、静态变量、常量、编译后的代码、运行时常量池。

  • 版本差异：

    • JDK 1.7 及之前 ：实现叫 永久代 (PermGen)，占用堆内存，大小固定，容易 OOM。

    • JDK 1.8 及之后 ：实现叫 元空间 (Metaspace) ，占用本地内存，大小可自动调整，不再受限于 JVM 堆大小。

3. 特殊区域：直接内存 (Direct Memory)

• 定义：不属于 JVM 运行时数据区，而是操作系统的本机内存。

• 场景：常见于 NIO 操作。利用 DirectBuffer 避免了数据在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制（零拷贝），读写性能高，但分配成本也高。

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三、 堆内存的精细化模型：Eden、Survivor 与 Region

为了更好地理解对象分配，我们需要把"堆"这一块拆解得更细致。

1. 经典分代模型

在传统的垃圾收集器（如 Serial, ParNew, CMS）视角下，堆被严格划分为：

• 年轻代 (Young Gen)：

  • Eden 区：绝大多数新对象诞生的地方（伊甸园）。

  • Survivor 区 (S0/S1)：幸存者区。GC 后没死的对象在这里轮转。

• 老年代 (Old Gen)：存放长期存活的大对象。

2. G1 收集器的 Region 模型

随着内存越来越大，传统的整块划分导致回收停顿时间过长。G1（Garbage First）收集器引入了 Region 的概念：

• Region：堆被划分为很多个大小相等的独立区域（Region）。

• 每个 Region 逻辑上依然属于 Eden、Survivor 或 Old，但物理上它们不再是连续的。这让 JVM 可以更灵活地控制回收哪一部分内存。

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四、 核心解密：对象的创建与分配流程

当我们执行 new User() 时，对象到底去了哪里？JVM 为了性能，设计了一套严密的**"三级分配策略"**。

举个例子：

User user = new User();

这里user在栈上， 而new的 User在堆上， 可以简单理解为user就是一个栈上的指针操控着堆上真实的对象User（）；

1. 第一级：逃逸分析与栈上分配 (Stack Allocation)

JVM 首先通过逃逸分析技术，判断这个对象的作用域：

• 未逃逸：对象只在当前方法内部使用，不会作为返回值给别人，也不会被其他线程访问。

• 逃逸：对象可能被其他方法或线程引用（如：方法逃逸、线程逃逸）。

策略 ： 如果对象未逃逸 ，JVM 可能通过优化，将对象直接分配在栈帧中。

• 优势 ：对象随方法结束自动销毁，不需要垃圾回收，极大地减轻了 GC 压力。

2. 第二级：TLAB 分配 (Thread Local Allocation Buffer)

因为多线程下创建对象为了防止冲突需要加锁，所以还不如直接先划分好一个一个的tlab给对象一个专属区域。如果tlab满了就只能eden公共区域去分配，这样的话就需要加锁了。

如果对象必须在堆中分配（发生逃逸或对象过大），JVM 会尝试走"VIP 通道"------TLAB。

• 定义 ：在堆的 Eden 区 中，为每个线程预先划分的一小块专属区域。

• 背景：多线程同时在堆中创建对象，为了防止内存冲突，必须加锁，导致性能下降。

• 策略：

  • 如果本线程的 TLAB 还有空间，直接在自己的 TLAB 里分配。

  • 优势 ：无锁分配，效率极高。

  • 注意：TLAB 仅在"分配内存"这一刻是线程私有的，分配完成后，对象依然是线程共享的。

3. 第三级：公共堆分配 (Common Heap Allocation)

如果 TLAB 满了，或者对象太大 TLAB 装不下：

• 策略 ：对象只能在 Eden 区的公共区域 进行分配。

• 代价 ：需要加锁，与其他线程竞争内存空间。

总结：对象分配流程图

代码段

graph TD
    A[new 对象] --> B{逃逸分析: 是否逃逸?}
    B -- 否 --> C[栈上分配]
    C --> D[方法结束, 自动销毁]
    B -- 是 --> E{TLAB是否够用?}
    E -- 是 --> F[TLAB分配 (Eden区专属块)]
    E -- 否 --> G[Eden区公共堆分配 (加锁)]
    F --> H[堆内存 (GC管理)]
    G --> H

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结语

JVM 的内存管理不仅仅是简单的"堆和栈"。从 JDK 1.8 元空间的引入，到逃逸分析和 TLAB 的优化，再到 G1 收集器 Region 的设计，所有的演进都是为了在高并发 下实现更快的内存分配 和更高效的垃圾回收。

理解这些，你就不仅仅是在写 Java 代码，而是在掌控代码的运行。