JVM 内存区域划分
1. JVM 规范内存区域划分
1.1 总览
根据 Java 虚拟机规范（JVM Specification）的约定，JVM 内存区域划分为以下 5 个部分：
JVM 内存区域（规范层面）
线程私有区域
虚拟机栈
(VM Stack)
本地方法栈
(Native Method Stack)
程序计数器
(PC Register)
线程共享区域
方法区
(Method Area)
堆
(Heap)
- 规范 vs 实现：规范定义的是逻辑边界和功能清单，实际实现（如 HotSpot）往往不会严格按照规范来实现
- 规范外内存 ：JVM 实际运行还需要很多规范外的内存，包括：
- JVM 自身占用
- GC 占用
- 线程相关内存（OS 层）
- 外部资源句柄
- 堆外内存（DirectByteBuffer）
1.2 方法区
定义：存储类的类型信息（Type Information），即描述类本身的信息。
规范定义的存储内容
根据 JVM 规范，方法区存储：
| 类型 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
| 类信息 | 类的基本信息 | 类名、父类、接口、访问修饰符 |
| 字段信息 | 类的字段定义 | 字段名、字段类型、访问修饰符 |
| 方法信息 | 类的方法定义 | 方法字节码、方法签名、异常表 |
| 常量池 | 类的常量池引用 | 符号引用、字面量 |
特点
- 线程共享：所有线程共享同一个方法区
- 可抛出 OOM：当加载的类过多时，可能抛出
OutOfMemoryError - GC 回收：规范要求支持垃圾回收，但条件苛刻
注意：
- 规范没有规定方法区的物理位置（可以在堆中，也可以在本地内存）
- 规范没有规定是否包含 JIT 编译后的代码（这是实现细节）
- 规范没有规定静态变量和字符串常量池的位置（这是实现细节）
1.3 堆
定义：存储对象实例和数组的运行时数据区域。
规范定义
根据 JVM 规范：
The heap stores objects and arrays.
即：堆只存储对象实例和数组。
特点
- 线程共享：所有线程共享同一个堆
- GC 主要区域：垃圾收集器管理的主要区域
- 可抛出 OOM：当对象过多无法分配时，抛出
OutOfMemoryError: Java heap space - 最大内存区域：通常占 JVM 内存的最大部分
注意：
- 规范只规定了堆存储对象和数组
- 规范没有规定字符串常量池、静态变量的位置（这是实现细节）
- 规范没有规定堆的内存结构（新生代、老年代等，这是 GC 实现细节）
1.4 虚拟机栈
定义：描述 Java 方法执行的内存模型，每个方法调用对应一个栈帧的入栈和出栈。
规范定义
根据 JVM 规范：
- 每个线程都有独立的虚拟机栈
- 虚拟机栈的生命周期与线程相同
- 栈帧（Stack Frame）用于存储方法执行的相关数据
栈帧结构（规范定义）
JVM 规范定义了栈帧的四个组成部分：
栈帧 (Stack Frame)
1.局部变量表
基本类型 int, boolean
对象引用 reference
returnAddress
2.操作数栈
方法执行的中间结果
3.动态连接
常量池引用
运行时常量池
4.返回地址
方法正常返回地址
方法异常返回地址
注意 ：
规范定义了栈帧的逻辑结构
规范没有规定栈的物理实现方式
局部变量表详解
| 类型 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
| 基本类型 | boolean, byte, char, short, int, long, float, double | int a = 10 |
| 对象引用 | 指向堆中对象的引用 | String s = "hello" |
| returnAddress | 方法返回地址（字节码级别） | return 指令 |
异常情况
| 异常 | 触发条件 |
|---|---|
StackOverflowError |
线程请求的栈深度大于 JVM 允许的深度（如无限递归） |
OutOfMemoryError |
无法分配足够的内存创建新线程 |
1.5 本地方法栈
定义 ：为 Native 方法（使用 native 关键字修饰的方法）服务的内存区域。
特点
- 功能类似虚拟机栈：也是栈帧结构
- 执行 Native 方法：调用 Java 以外的语言（如 C/C++）编写的方法
- 依赖 JVM 实现：某些 JVM（如 HotSpot）将虚拟机栈和本地方法栈合并
1.6 程序计数器
定义：记录当前线程所执行的字节码的行号指示器。
特点
- 线程私有：每个线程都有独立的程序计数器
- 指向字节码地址：记录当前执行到哪一条字节码指令
- 控制程序流程：相当于图遍历中的
next指针 - 唯一不会 OOM 的区域：JVM 规范中唯一规定不会发生
OutOfMemoryError的区域
作用
| 场景 | 说明 |
|---|---|
| 顺序执行 | 指向下一条字节码指令 |
| 方法调用 | 保存返回地址（调用点） |
| 方法返回 | 恢复到调用点继续执行 |
| 异常跳转 | 跳转到异常处理器 |
特殊情况
- 执行 Native 方法：程序计数器值为
Undefined（因为 Native 方法不是字节码）
2. HotSpot 实现
注意：以下内容针对 HotSpot JVM（最常用的 JVM 实现），其他 JVM 实现可能不同。
2.1 元空间
定义：HotSpot 对方法区的不完整的实现（JDK 8+）。
与永久代的区别
| 特性 | 永久代（JDK 7 及之前） | 元空间（JDK 8+） |
|---|---|---|
| 内存位置 | JVM 进程内存（非堆，但由 GC 管理） | 本地内存（Native Memory） |
| GC 逻辑 | 与堆共用 | 独立的 GC 逻辑 |
| 容量限制 | 固定大小 | 默认无限制（受物理内存限制） |
| 调整参数 | -XX:PermSize、-XX:MaxPermSize |
-XX:MetaspaceSize、-XX:MaxMetaspaceSize |
| OOM 影响 | Full GC 可能无休止 | GC 效率更高 |
为什么废弃永久代？
历史原因：JDK 6 → 7 的升级已经将类的静态变量引用和字符串字面值移动到了堆中，永久代的问题已部分缓解。
但永久代与堆共用 GC 逻辑仍导致两个严重问题：
问题 1：堆满触发 GC，扫描永久代效率低
堆满了
触发 Full GC
扫描堆 + 永久代
永久代引用复杂
且生命周期长
可能忙了很久
但什么都没收集到
问题 2：永久代满触发 GC，无休止直到 OOM
永久代满了
触发 Full GC
扫描堆 + 永久代
即使堆很空也要扫描
永久代 Full GC
基本回收不到空间
GC 起来没完直到 OOM
元空间的优化
独立的 GC 逻辑：
- 元空间有专门的 GC 回收策略
- 不再与堆互相影响
- GC 效率显著提升
容量自动扩展：
- 默认最大无限制（受物理内存限制）
- 可设置
-XX:MaxMetaspaceSize防止过度占用
类加载器隔离：
- 以类加载器为单位分配内存
- 类加载器卸载时一次性回收对应内存
2.2 堆
定义 ：HotSpot 的堆是 JVM 独享且全权管辖的区域 ，实际上成为了 JVM 的通用对象容器。
存储内容扩展
| 类型 | 说明 | 为何在堆中 |
|---|---|---|
| 对象实例 | 用户定义的对象 | 规范要求 |
| 字符串常量池 | 字符串字面量 | JDK 7+ 从永久代迁移 |
| 静态变量 | 类的静态变量 | JDK 7+ 从永久代迁移 |
| 虚拟线程栈帧 | 虚拟线程的栈帧 | 利用 GC 简化内存管理 |
设计思想：将字符串常量池和静态变量移入堆，是为了复用 GC 机制和简化 GC 流程。
堆的内存结构
堆的内存结构与 GC 算法强相关，因此此处不作具体介绍。
2.3 栈
定义 ：HotSpot 对虚拟机栈 和本地方法栈的实现。
统一实现
HotSpot 中，虚拟机栈和本地方法栈使用同一套实现。
普通线程的栈实现
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 栈类型 | 物理栈（操作系统栈） |
| 内存占用 | 通常为 1MB（可通过 -Xss 调整） |
| 分配位置 | 操作系统本地内存 |
| 生命周期 | 与线程相同 |
虚拟线程的栈实现（JDK 21+）
HotSpot 为虚拟线程引入了栈帧拷贝机制：
| 特性 | 普通线程 | 虚拟线程 |
|---|---|---|
| 栈类型 | 物理栈 | 栈帧拷贝 |
| 运行时 | 操作系统栈 | 物理栈 |
| 挂起时 | 仍在操作系统栈 | 冻结到堆内存 |
| 内存占用 | 约 1MB | 几 KB |
| 上下文切换 | 昂贵（OS 级别） | 便宜（JVM 级别） |
| 数量级 | 数千个 | 数百万个 |
栈帧拷贝机制详解
虚拟线程启动
阻塞IO发生
持续状态
IO操作完成
继续执行
栈帧在物理栈
栈帧冻结并拷贝到堆
链表伪装栈
等待IO完成
从堆拷贝回物理栈
物理栈
高效执行
堆内存
轻量级挂起
设计优势：
- 轻量级：栈帧可以冻结在堆中，不占用操作系统栈
- 高效：挂起/恢复只需要内存拷贝，不需要 OS 上下文切换
- 可扩展：可以创建数百万个虚拟线程
JIT 优化：逃逸分析与标量替换
逃逸分析：分析对象的作用域，判断对象是否"逃逸"出方法。
标量替换 ：如果对象未逃逸，可能被拆解成若干个基础变量，直接分配到栈的局部变量表，而不在堆中创建对象。
java
// 示例代码
public void method() {
Point p = new Point(10, 20); // 未逃逸
int x = p.x;
int y = p.y;
// JIT 优化后可能变成：
// int x = 10;
// int y = 20;
// 不再创建 Point 对象！
}优势：
- 减轻 GC 压力
- 提高访问速度（栈访问比堆快）
- 提高缓存命中率
2.4 程序计数器
定义：HotSpot 对程序计数器的实现。
存储位置
| 线程类型 | 程序计数器位置 | 说明 |
|---|---|---|
| 普通线程 | CPU 寄存器 | 利用硬件加速 |
| 虚拟线程 | 寄存器（运行时）→ 堆（挂起时） | 挂起时冻结到堆 |
虚拟线程的程序计数器
虚拟线程启动
IO操作挂起
持续状态
IO完成
继续执行
PC在CPU寄存器
PC冻结到堆内存
等待IO
PC回填到CPU寄存器
CPU寄存器
硬件加速
堆内存
上下文冻结
优势：虚拟线程挂起时，整个上下文（包括程序计数器）都冻结在堆中，可以高效地恢复执行。
3. 规范 vs 实现对比
3.1 关键区别总结
| 方面 | JVM 规范 | HotSpot 实现 |
|---|---|---|
| 定义方式 | 逻辑边界、功能清单 | 具体的物理实现 |
| 约束力 | 所有 JVM 必须遵守 | HotSpot 特有的选择 |
| 灵活性 | 留有实现空间 | 可以优化和创新 |
3.2 各区域的规范 vs 实现
方法区
| 维度 | 规范要求 | HotSpot 实现 |
|---|---|---|
| 存储内容 | 类的类型信息 | 元空间（Metaspace） |
| 物理位置 | 未规定 | 本地内存（JDK 8+） |
| 容量限制 | 未规定 | 可设置 MaxMetaspaceSize |
| 字符串常量池 | 未规定位置 | 在堆中（JDK 7+） |
| 静态变量 | 未规定位置 | 在堆中（JDK 7+） |
| JIT 代码 | 未规定 | 可能包含在元空间 |
堆
| 维度 | 规范要求 | HotSpot 实现 |
|---|---|---|
| 存储内容 | 对象和数组 | 对象、数组、字符串常量池、静态变量、虚拟线程栈帧 |
| 内存结构 | 未规定 | GC 相关 |
| GC 算法 | 要求有 GC | Serial/Parallel/G1/ZGC 等 |
虚拟机栈
| 维度 | 规范要求 | HotSpot 实现 |
|---|---|---|
| 栈帧结构 | 规定了 4 个部分 | 完全遵循 |
| 物理实现 | 未规定 | 物理栈（普通线程） |
| 虚拟线程 | 未规定 | 栈帧拷贝（JDK 21+） |
本地方法栈
| 维度 | 规范要求 | HotSpot 实现 |
|---|---|---|
| 功能 | 服务 Native 方法 | 与虚拟机栈合并实现 |
程序计数器
| 维度 | 规范要求 | HotSpot 实现 |
|---|---|---|
| 功能 | 记录字节码地址 | CPU 寄存器（普通线程） |
| 虚拟线程 | 未规定 | 挂起时冻结到堆 |
4. 内存区域对比
4.1 线程共享 vs 线程私有
| 维度 | 线程共享区域 | 线程私有区域 |
|---|---|---|
| 包含 | 方法区、堆 | 虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器 |
| 生命周期 | 从 JVM 启动到关闭 | 与线程相同 |
| 访问冲突 | 需要同步控制 | 无冲突 |
| OOM 风险 | 是（容易发生） | 是（栈深度超限） |
| GC 回收 | 主要区域 | 不是主要区域 |
5. 常见误区
误区 1：混淆规范与实现
错误理解：认为 JVM 规范描述的所有内容（如字符串常量池、静态变量在堆中）都是所有 JVM 必须遵守的。
正确理解：
- JVM 规范只定义了逻辑边界和功能要求
- 具体实现（如字符串常量池的位置）由各 JVM 自己决定
- 不同 JVM 实现可能有不同的内存布局
误区 2：方法区和堆是分开的
错误理解：方法区和堆是两个完全独立的区域，互不影响。
正确理解：
- JDK 7 及之前：永久代（方法区实现）虽然是堆外内存，但是和堆共用 GC
- JDK 8+：元空间（方法区实现）在本地内存，与堆分离
- 但字符串常量池和静态变量在 JDK 7+ 已移入堆
误区 3：局部变量在栈中，对象在堆中
错误理解：所有局部变量都在栈中，所有对象都在堆中。
正确理解：
- 基本类型局部变量：栈
- 对象引用：栈（引用本身）→ 堆（实际对象）
- 未逃逸对象：可能被 JIT 优化到栈（标量替换）
- 虚拟线程栈帧：堆（挂起时）
误区 4：程序计数器指向 Java 代码行号
错误理解：程序计数器记录的是 Java 源代码的行号。
正确理解：
- 程序计数器指向的是字节码的地址，不是 Java 源代码行号
- 字节码经过 JIT 编译后变成机器码，程序计数器指向机器码地址
- 调试器可以通过字节码映射表反查到源代码行号
误区 5：虚拟机栈越大越好
错误理解 ：增加栈大小可以避免 StackOverflowError。
正确理解：
- 增加栈大小确实可以减少
StackOverflowError的风险 - 但每个线程占用的内存会增加
- 可创建的线程数量会减少
- 权衡：根据实际递归深度和并发需求调整
6. 总结
理解 JVM 内存区域的关键在于严格区分规范定义和具体实现，例如：
| 方面 | JVM 规范 | HotSpot 实现 |
|---|---|---|
| 方法区 | 定义为存储类类型信息的逻辑区域 | 元空间（本地内存） |
| 堆 | 定义为存储对象和数组的区域 | 对象+数组+字符串常量池+静态变量 |
| 栈 | 定义栈帧的逻辑结构 | 物理栈（普通线程） 栈帧拷贝（虚拟线程） |
关键理解：
- 规范只定义"是什么"（what）
- 实现决定"怎么做"（how）
- 不同 JVM 实现可以有不同的实现方式