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JVM 内存结构

JVM 在执行 Java 程序时，会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途、创建和销毁时间。

运行时数据区

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程序计数器（PC Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，用于存储当前线程正在执行的字节码指令地址。

特点

  • 线程私有：每个线程都有自己的程序计数器
  • 唯一不会 OOM：不会发生 OutOfMemoryError
  • 执行 Native 方法时为空：此时计数器值为 undefined

作用

public int add(int a, int b) {
    int c = a + b;    // 程序计数器记录当前执行到这里
    return c;         // 然后更新为这里的地址
}

虚拟机栈（VM Stack）

虚拟机栈是 Java 方法执行的内存模型，每个方法执行时都会创建一个栈帧。

栈帧结构

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局部变量表

存储方法参数和局部变量，以 Slot 为单位。

数据类型Slot 数量
boolean, byte, char, short, int, float1
long, double2
reference1
public void method(int a, long b) {
    double c = 3.14;
    // 局部变量表：
    // Slot 0: this（非静态方法）
    // Slot 1: a (int)
    // Slot 2-3: b (long)
    // Slot 4-5: c (double)
}

操作数栈

用于计算过程中的临时存储。

int a = 1;
int b = 2;
int c = a + b;

// 字节码执行过程：
// iconst_1    → 操作数栈：[1]
// istore_1    → 操作数栈：[]，局部变量表：a=1
// iconst_2    → 操作数栈：[2]
// istore_2    → 操作数栈：[]，局部变量表：b=2
// iload_1     → 操作数栈：[1]
// iload_2     → 操作数栈：[1, 2]
// iadd        → 操作数栈：[3]
// istore_3    → 操作数栈：[]，局部变量表：c=3

栈溢出

// StackOverflowError 示例
public void recursion() {
    recursion();  // 无限递归，栈帧不断压入
}

相关参数

# 设置栈大小（默认 1MB）
-Xss256k
-Xss1m

本地方法栈（Native Method Stack）

与虚拟机栈类似，但用于执行 Native 方法（C/C++ 实现）。

// native 方法
public native void nativeMethod();

堆（Heap）

堆是 JVM 管理的最大内存区域，用于存放对象实例。

堆内存结构（JDK 8）

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对象分配过程

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堆内存参数

# 初始堆大小
-Xms512m

# 最大堆大小
-Xmx1024m

# 年轻代大小
-Xmn256m

# Eden 与 Survivor 比例（默认 8:1:1）
-XX:SurvivorRatio=8

# 年轻代与老年代比例
-XX:NewRatio=2

OutOfMemoryError

// 堆内存溢出示例
public class HeapOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new byte[1024 * 1024]);  // 不断创建 1MB 对象
        }
    }
}
// java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

方法区（Method Area）

方法区用于存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等。

JDK 版本变化

版本实现存储位置
JDK 7 及之前永久代（PermGen）堆内存
JDK 8 及之后元空间（Metaspace）本地内存

方法区内容

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运行时常量池

public class ConstantPoolDemo {
    // 字面量
    private String str = "hello";
    private int num = 100;
    
    // 符号引用
    public void method() {
        System.out.println(str);  // 方法引用
    }
}

元空间参数

# 初始元空间大小
-XX:MetaspaceSize=128m

# 最大元空间大小（默认无限制）
-XX:MaxMetaspaceSize=256m

元空间溢出

// 元空间溢出示例（动态生成大量类）
public class MetaspaceOOM {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            // 使用 CGLib 动态生成类
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(Object.class);
            enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (o, m, a, p) -> p.invokeSuper(o, a));
            enhancer.create();
        }
    }
}
// java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

直接内存（Direct Memory）

直接内存不属于 JVM 运行时数据区，但也被频繁使用。

特点

  • 不受 JVM 堆大小限制
  • 减少数据拷贝，IO 性能更好
  • 分配和回收成本较高

使用场景

// NIO 使用直接内存
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024);

参数配置

# 设置直接内存大小
-XX:MaxDirectMemorySize=256m

内存区域总结

区域线程作用异常
程序计数器私有记录执行位置无
虚拟机栈私有方法执行StackOverflowError, OOM
本地方法栈私有Native 方法执行StackOverflowError, OOM
堆共享对象实例OutOfMemoryError
方法区共享类信息、常量OutOfMemoryError

小结

  • 程序计数器：线程私有，记录执行位置，唯一不会 OOM
  • 虚拟机栈：线程私有，方法执行的栈帧
  • 堆：线程共享，对象实例存储，GC 主要区域
  • 方法区：线程共享，类信息和常量池，JDK 8 后为元空间
  • 理解内存结构是理解 GC 和调优的基础
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