Java随笔-JVM内存模型

JVM 内存模型（运行时数据区）分为线程共享和线程私有两大部分，上图是 JDK 8+ 版本的完整结构。

一、线程共享区域

1. 堆（Heap）

• 作用：存放所有对象实例 和数组
• 参数控制：-Xms（初始大小）、-Xmx（最大大小）
• 分代设计 ：
  • 年轻代（Young） ：新对象优先分配在 Eden 区，Minor GC 后存活对象进入 Survivor 区（S0/S1 通过复制算法交替使用）
  • 老年代（Old）：对象年龄达到阈值（默认 15）或 Survivor 空间不足时晋升，使用标记-清除/整理算法
  • 大对象：超过 -XX:PretenureSizeThreshold 直接进入老年代

2. 元空间（Metaspace）

• JDK 8+ 替代永久代（PermGen） ，使用本地内存（Native Memory）
• 存储：类元数据、常量池、字段/方法数据、静态变量
• 参数：-XX:MaxMetaspaceSize 控制上限
• OOM 场景：动态生成大量类（如 CGLIB 代理、反射）

3. 直接内存（Direct Memory）

• NIO 使用（ByteBuffer.allocateDirect()）
• 通过 Unsafe.allocateMemory() 分配，不受 JVM 堆大小限制
• 参数：-XX:MaxDirectMemorySize

二、线程私有区域

区域	作用	特点
虚拟机栈（VM Stack）	存储栈帧（局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址）	每个方法调用对应一个栈帧；-Xss 控制栈大小
本地方法栈（Native Stack）	为 Native 方法（C/C++）服务	HotSpot 中与虚拟机栈合并实现
程序计数器（PC Register）	记录当前线程执行的字节码行号	唯一不会 OOM 的区域；线程切换时恢复执行位置

三、对象从创建到销毁的完整生命周期

1. 对象生命周期总览

2. 每个阶段的详细流程

① 类加载检查

Object obj = new Object();  // 触发类加载

步骤	内容
检查类是否已加载	在方法区（元空间）查找该类的类型信息
未加载则触发类加载	加载 → 验证 → 准备 → 解析 → 初始化
检查访问权限	private/protected/public 是否允许当前上下文访问

② 内存分配

这是最关键的一步，JVM 有三种分配策略：

策略 A：堆上分配（最常用）

// 绝大多数对象在堆上分配
Person p = new Person();  // 在 Eden 区分配

分配流程：

TLAB 详解：

特性	说明
全称	Thread Local Allocation Buffer
作用	每个线程在 Eden 区预先分配一小块私有内存，避免多线程竞争
大小	默认 Eden 的 1%（-XX:TLABWasteTargetPercent）
优势	无锁分配，性能极高
溢出	TLAB 放不下时，回退到 Eden 区 CAS 分配

策略 B：栈上分配（逃逸分析优化）

public void method() {
    Person p = new Person();  // p 不会逃逸出方法
    p.sayHello();
}  // p 随栈帧销毁，无需 GC

逃逸分析（Escape Analysis）：

JVM 判断对象是否"逃逸"出方法/线程：

├─ 不逃逸 → 栈上分配（随栈帧弹出自动销毁）

├─ 线程逃逸 → 堆上分配（但可能标量替换）

└─ 全局逃逸 → 必须在堆上分配

标量替换（Scalar Replacement）：

// 如果 Person 对象不逃逸，JVM 可能不创建对象
// 而是直接将其字段拆分为局部变量
Person p = new Person();
p.name = "Tom";   // → 直接变成 String name = "Tom";
p.age = 20;       // → 直接变成 int age = 20;

开启参数：

• -XX:+DoEscapeAnalysis（JDK 8+ 默认开启）
• -XX:+EliminateAllocations（标量替换，默认开启）

策略 C：大对象直接进入老年代

// 超过 -XX:PretenureSizeThreshold 的大数组/对象
byte[] bigArray = new byte[1024 * 1024 * 10];  // 10MB，直接进入老年代

③ 对象初始化

内存分配完成后，JVM 执行三步初始化：

┌─────────────────┐

│ 1. 零值初始化 │ 所有字段设为默认值（int=0, boolean=false, ref=null）

│ 2. 设置对象头 │ 设置 Mark Word、Klass Pointer、数组长度

│ 3. 执行 │ 执行构造方法（字段赋值、代码块、构造函数）

└─────────────────┘

对象头（Object Header）结构：

④ 引用建立

Person p = new Person();  // p 是栈帧中的局部变量，指向堆中对象

引用关系：

⑤ 对象使用

对象被引用期间，可以被：

• 读取/修改字段
• 调用方法
• 作为参数传递
• 被其他对象引用

⑥ 引用失效

引用失效的几种情况：

场景	说明
作用域结束	方法执行完毕，栈帧弹出，局部变量引用消失
显式置 null	p = null;
重新赋值	p = new Person(); 旧对象引用断开
容器清理	list.remove(obj)、map.clear()
弱引用回收	WeakReference 被 GC 时回收
软引用回收	SoftReference 内存不足时回收
虚引用	PhantomReference 仅用于跟踪回收

⑦ 可达性分析（判断垃圾）

JVM 使用 可达性分析算法（Reachability Analysis） ，而非引用计数：

GC Roots（根对象集合）：

├─ 虚拟机栈中局部变量引用的对象

├─ 方法区中静态变量引用的对象

├─ 方法区中常量引用的对象

├─ 本地方法栈中 JNI 引用的对象

├─ JVM 内部的引用（基本数据类型对应的 Class 对象）

├─ 所有被同步锁（synchronized）持有的对象

└─ 反映 JVM 内部情况的 JMXBean、JVMTI 中注册的回调等

⑧ GC 回收

根据对象所在区域，触发不同的 GC：

年轻代回收（Minor GC / Young GC）

触发条件：Eden 区空间不足

回收流程：

1. STW（Stop The World）暂停所有应用线程
2. 标记 Eden + From Survivor 中的存活对象
3. 复制存活对象到 To Survivor
4. 清空 Eden + From Survivor
5. From 和 To 交换角色
6. 对象年龄 +1
7. 年龄达到阈值（默认15）→ 晋升老年代
8. 恢复应用线程

老年代回收（Major GC / Old GC）

触发条件：

├─ 老年代空间不足

├─ 空间分配担保失败

└─ CMS 的并发标记周期

回收算法：

├─ CMS：标记-清除（并发低停顿，但碎片多）

├─ G1：标记-整理 + 复制（Region 化，可预测停顿）

└─ ZGC/Shenandoah：并发整理（几乎零停顿）

Full GC

触发条件：

├─ 老年代空间不足且无法分配

├─ 元空间不足

├─ System.gc() 调用（建议性）

└─ CMS 的并发模式失败（Concurrent Mode Failure）

特点：回收整个堆（年轻代 + 老年代 + 元空间），停顿时间长

⑨ 内存释放

对象被 GC 回收后：

├─ 内存被标记为空闲

├─ 空闲内存加入空闲列表（Free List）

├─ 下次分配时复用

└─ 长期运行后可能触发内存整理（Compact）消除碎片

内存整理（Compact）：

整理前（标记-清除后）：

┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐

│存活│空闲│存活│空闲│存活│空闲│空闲│存活│ ← 大量碎片

└────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘

整理后（标记-整理）：

┌────┬────┬────┬────┬────────────────────┐

│存活│存活│存活│存活│ 连续空闲空间 │ ← 无碎片

└────┴────┴────┴────┴────────────────────┘

3. 完整流程图（文字版）

阶段	核心内容
类加载检查	双亲委派模型、加载→验证→准备→解析→初始化
逃逸分析	栈上分配、标量替换、不逃逸/线程逃逸/全局逃逸
内存分配	TLAB 快速分配、Eden CAS 分配、大对象直接进入老年代
零值初始化	所有字段自动设默认值
设置对象头	Mark Word、Klass Pointer、数组长度
执行构造方法	<init>() 的完整执行顺序
引用建立	栈帧局部变量 → 堆对象，四种引用类型
对象使用	读写字段、调用方法、同步锁
引用失效	作用域结束、置 null、容器清理、弱/软引用回收
可达性分析	GC Roots、两次标记、finalize() 复活机制
GC 回收	Minor GC（复制算法）、Major GC（CMS/G1/ZGC）、Full GC
内存释放	空闲列表、内存整理（Compact）

4. 关键参数汇总

| 参数                             | 作用                           |

| ------------------------------ | ---------------------------- |

| -Xms / -Xmx | 堆初始/最大大小 |

| -Xmn / -XX:NewRatio | 年轻代大小 / 年轻代:老年代比例 |

| -XX:SurvivorRatio | Eden : Survivor 比例（默认 8:1:1） |

| -XX:MaxTenuringThreshold | 晋升老年代年龄阈值（默认 15） |

| -XX:PretenureSizeThreshold | 大对象直接进入老年代的阈值 |

| -XX:+UseTLAB | 开启 TLAB（默认开启） |

| -XX:TLABWasteTargetPercent | TLAB 占 Eden 的比例 |

| -XX:+DoEscapeAnalysis | 开启逃逸分析（默认开启） |

| -XX:+EliminateAllocations | 开启标量替换（默认开启） |

| -XX:+UseG1GC / -XX:+UseZGC | 使用 G1 / ZGC 收集器 |

四、关键对比

特性	JDK 7 及以前	JDK 8+
方法区实现	永久代（PermGen），在堆内	元空间（Metaspace），在本地内存
字符串常量池	永久代	堆
静态变量	永久代	元空间
OOM 风险	PermGen space	Metaspace

五、常见 OOM 场景

异常类型	发生区域	典型原因
Java heap space	堆	内存泄漏、大对象、堆设置过小
GC overhead limit exceeded	堆	98% 时间用于 GC，回收不足 2% 空间
Metaspace	元空间	动态生成大量类、类加载器未释放
Unable to create new native thread	虚拟机栈	线程数超过系统限制
Direct buffer memory	直接内存	NIO 使用不当、未释放 DirectByteBuffer