第三章：Java 内存模型 (JMM) 与运行时数据区

第三章：Java 内存模型（JMM）与运行时数据区

本章目标：

搞懂 JVM 内存结构

理解堆、栈、方法区到底存什么

理解线程共享与线程私有内存

理解 JMM（Java Memory Model）解决什么问题

为后续 GC、并发编程、JVM调优打下基础

一、为什么必须学习 JVM 内存？

很多 Java 程序员工作几年后都会遇到这些问题：

sql 复制代码

OutOfMemoryError
StackOverflowError
频繁Full GC
内存泄漏
线程安全问题
CPU 100%

这些问题最终都指向：

复制代码

JVM内存

例如：

csharp 复制代码

List<User> list = new ArrayList<>();

while (true) {
    list.add(new User());
}

运行后：

makefile 复制代码

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

为什么会报错？

因为：

复制代码

堆内存被占满了

所以学习 JVM，首先必须搞懂内存结构。

二、JVM 运行时数据区

当 JVM 启动时，会创建运行时数据区（Runtime Data Area）。

官方结构图：

markdown 复制代码

                 JVM Runtime Data Area

      线程共享
 ┌─────────────────────┐
 │       Heap          │
 ├─────────────────────┤
 │    Method Area      │
 └─────────────────────┘


      线程私有
 ┌─────────────────────┐
 │ Program Counter     │
 ├─────────────────────┤
 │ Java Stack          │
 ├─────────────────────┤
 │ Native Method Stack │
 └─────────────────────┘

分为两大类：

线程共享

所有线程共同拥有：

sql 复制代码

Heap（堆）
Method Area（方法区）

线程私有

每个线程独立拥有：

复制代码

程序计数器
虚拟机栈
本地方法栈

三、程序计数器（Program Counter Register）

这是 JVM 最小的一块内存。

作用：

复制代码

记录当前线程执行到哪条字节码指令

例如：

ini 复制代码

public void test() {
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = a + b;
}

JVM执行过程：

makefile 复制代码

0: iconst_1
1: istore_1

2: iconst_2
3: istore_2

4: iload_1
5: iload_2
6: iadd
7: istore_3

程序计数器记录：

复制代码

当前执行位置

例如：

复制代码

当前执行到第5条指令

为什么每个线程都需要程序计数器？

因为 JVM 支持多线程。

例如：

css 复制代码

线程A
线程B
线程C

CPU不断切换：

css 复制代码

A → B → C → A → B

切换回来时必须知道：

复制代码

上次执行到哪里

因此每个线程都必须拥有独立程序计数器。

四、Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

这是面试最高频知识点之一。

什么是栈？

每个线程启动时：

复制代码

创建一个虚拟机栈

每调用一个方法：

复制代码

创建一个栈帧（Stack Frame）

例如：

typescript 复制代码

public static void main(String[] args) {
    test();
}

public static void test() {
    int age = 18;
}

执行过程：

scss 复制代码

main()
 │
 ▼
test()

栈结构：

scss 复制代码

┌──────────┐
│ test()   │
├──────────┤
│ main()   │
└──────────┘

五、栈帧结构

每个方法对应一个栈帧。

sql 复制代码

┌────────────────────┐
│ Local Variables    │
├────────────────────┤
│ Operand Stack      │
├────────────────────┤
│ Dynamic Linking    │
├────────────────────┤
│ Return Address     │
└────────────────────┘

局部变量表

例如：

ini 复制代码

public void test() {
    int age = 18;
    String name = "Tom";
}

存放：

复制代码

age
name引用

操作数栈

JVM计算使用。

例如：

ini 复制代码

int c = a + b;

执行过程：

perl 复制代码

push a
push b
add
pop

类似：

diff 复制代码

1
2
+
=
3

六、StackOverflowError 原理

经典面试题。

代码：

csharp 复制代码

public void test() {
    test();
}

执行：

scss 复制代码

test()
 └─ test()
     └─ test()
         └─ test()
             ...

栈不断增长：

bash 复制代码

┌──────┐
│test  │
├──────┤
│test  │
├──────┤
│test  │
├──────┤
│test  │
└──────┘

最终：

复制代码

java.lang.StackOverflowError

七、本地方法栈（Native Method Stack）

服务于：

java 复制代码

native

关键字修饰的方法。

例如：

csharp 复制代码

public native void start0();

Thread源码：

scss 复制代码

start()
    ↓
start0()

最终进入：

复制代码

C++
Linux
Windows API

执行。

八、堆（Heap）

JVM中最大的一块内存。

也是 GC 最主要工作区域。

堆存储什么？

所有对象：

scss 复制代码

new User()

new ArrayList()

new HashMap()

都在堆中。

例如：

sql 复制代码

User user = new User();

内存：

sql 复制代码

Stack
 └─ user引用

Heap
 └─ User对象

九、对象创建过程

代码：

sql 复制代码

User user = new User();

发生了什么？

第一步

检查类是否加载：

arduino 复制代码

User.class

未加载：

复制代码

ClassLoader加载

第二步

堆中分配内存：

sql 复制代码

Heap
 ┌─────────┐
 │ User对象 │
 └─────────┘

第三步

初始化对象：

ini 复制代码

name = null;
age = 0;

第四步

执行构造函数：

csharp 复制代码

public User() {
    this.age = 18;
}

第五步

返回引用：

sql 复制代码

user

保存到栈。

十、方法区（Method Area）

JDK8以前：

scss 复制代码

Permanent Generation(PermGen)

JDK8以后：

复制代码

Metaspace（元空间）

存储内容

类元数据：

kotlin 复制代码

public class User {
}

存放：

复制代码

类名
字段信息
方法信息
字节码
运行时常量池

示例

typescript 复制代码

public class User {

    private String name;

    public void hello() {

    }
}

方法区保存：

sql 复制代码

User类结构
hello方法信息
name字段信息

十一、运行时常量池

属于方法区的一部分。

例如：

ini 复制代码

String s = "hello";

字符串常量：

arduino 复制代码

"hello"

会进入：

arduino 复制代码

String Constant Pool

例如：

ini 复制代码

String a = "abc";
String b = "abc";

实际上：

css 复制代码

a
 \
  ---> "abc"
 /
b

共享同一个对象。

十二、JMM（Java Memory Model）是什么？

很多人把 JVM 内存结构和 JMM 混淆。

实际上：

JVM Runtime Data Area

解决：

复制代码

内存如何划分

问题。

JMM

解决：

复制代码

线程之间如何访问内存

问题。

十三、为什么需要 JMM？

假设：

ini 复制代码

private boolean flag = false;

线程A：

ini 复制代码

flag = true;

线程B：

arduino 复制代码

while (!flag) {

}

理论上：

css 复制代码

线程B应该结束循环

但实际上：

复制代码

可能永远循环

为什么？

因为 CPU 缓存。

十四、JMM 核心结构

css 复制代码

           Main Memory
                 │
      ┌──────────┴──────────┐
      │                     │
 Thread A             Thread B
 Working Memory    Working Memory

每个线程：

复制代码

有自己的工作内存

不能直接访问其他线程内存。

执行流程：

复制代码

主内存
 ↓
工作内存
 ↓
修改
 ↓
刷新主内存

十五、volatile 如何解决可见性？

代码：

arduino 复制代码

private volatile boolean flag = false;

线程A：

ini 复制代码

flag = true;

JMM保证：

复制代码

立即刷新主内存

线程B：

复制代码

读取主内存最新值

因此：

arduino 复制代码

while循环结束

十六、JMM 三大特性

1 原子性（Atomicity）

例如：

ini 复制代码

count++;

实际上：

diff 复制代码

读取
+
1
写回

不是原子操作。

2 可见性（Visibility）

线程A修改变量：

ini 复制代码

flag = true;

线程B能够立即看到。

3 有序性（Ordering）

JVM和CPU会优化：

复制代码

指令重排

JMM保证：

复制代码

在规则范围内有序

十七、面试高频问题

JVM内存结构有哪些？

复制代码

程序计数器
虚拟机栈
本地方法栈
堆
方法区

堆和栈有什么区别？

栈：

复制代码

线程私有
方法调用
局部变量

堆：

复制代码

线程共享
对象实例
GC管理

为什么会 StackOverflowError？

复制代码

递归过深
栈帧过多

导致栈空间耗尽。

为什么会 OOM？

复制代码

堆内存不足
元空间不足
直接内存不足

JMM 和 JVM 内存结构有什么区别？

JVM内存结构：

复制代码

关注内存区域划分

JMM：

复制代码

关注线程间共享变量访问规则

本章总结

牢记下面这张图：

markdown 复制代码

                JVM Runtime Data Area

         线程共享
    ┌─────────────────┐
    │      Heap       │
    ├─────────────────┤
    │   Method Area   │
    └─────────────────┘

         线程私有
    ┌─────────────────┐
    │ Program Counter │
    ├─────────────────┤
    │ VM Stack        │
    ├─────────────────┤
    │ Native Stack    │
    └─────────────────┘


                JMM

          Main Memory
                │
      ┌─────────┴─────────┐
      │                   │
 Working Memory      Working Memory
  Thread A            Thread B

理解了这两张图，你就掌握了 JVM 最核心的内存基础。

下一章《垃圾收集（GC）原理》，我们将深入讲解：

对象什么时候变成垃圾？
GC Root 是什么？
为什么 Java 不使用引用计数？
Minor GC、Major GC、Full GC 的区别
CMS、G1、ZGC 到底怎么选？

这一章是 JVM 面试和线上问题排查的核心内容。