JVM内存模型（运行时数据区）

目录

 编者想说

1、内存模型图

2、栈

3、程序计数器

3、堆

4、方法区（元空间）

5、本地方法栈（Native Method Stack）

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 编者想说

        通过上一篇文章的对JVM的体系结构以及它的演化，我们对JVM有了一个比较清晰的认识，接下来我们将会深入其中的运行时数据区（也就是我们常说的JVM内存模型）进行更加深入的一个分析。

1、内存模型图

2、栈

首先，我们以下面这个程序为例来介绍一下栈这个内存区：

import java.util.Scanner;public class Test {public static void main(String[] args) {int a,b;Scanner sc = new Scanner(System.in);a = sc.nextInt();b = sc.nextInt();System.out.println("a+b="+add(a,b));}private static int add(int a, int b) {return a+b;}
}

在这个栈里面存储的叫栈帧（Stack Frame）​​，每个方法调用对应一个栈帧，包含：

局部变量表​：方法内的局部变量（基本类型、对象引用），比如上面程序中的a，b以及sc。

​操作数栈​：方法执行时的临时操作数（如算术运算的中间结果a+b）。

​动态链接​：指向方法区中该方法的类信息。

​方法返回地址​：方法执行完毕后的返回位置。

下面是我对这个程序执行之后在栈内存中的一些动作做的一个图示，方便大家理解（如果有错误，请各位大佬严肃批评指正）。

此处，我要对上图做一些解释：

1、在创建a,b时，这两个临时变量是没有被赋值的，系统自动初始化值为0

2、sc是一个引用数据类型，因为sc是通过new关键字创建的，会指向运行时数据区中的堆内存，而此时栈内存中的sc其实指向堆内存中Scanner实例的地址（因为对象本身在堆中）。

3、a = sc.nextInt()和 b = sc.nextInt()这两个方法是通过sc读取我们输入的值并给a，b做一个赋值，调用nextInt()时，会临时压入nextInt方法的栈帧（执行完毕弹出），接着将值传给a，b，覆盖初始值0。

4、add(a,b)调用add()方法并传入a,b的值，在main栈帧的操作数栈中压入a,b的值然后创建add()方法的栈帧，里面包含局部变量表（分配两个int槽位，存储传入的a、b的拷贝值），操作数栈（计算a+b的结果，并暂存于此）。在add方法结束之后，弹出add方法的栈帧，返回值压入main方法的操作数栈。

​栈内存变量状态快照​

代码执行位置	栈帧	局部变量表槽位（索引）	存储内容
int a, b;	main	0 (args)	方法参数（未使用）
		1 (a)	int初始值0
		2 (b)	int初始值0
Scanner sc = ...	main	3 (sc)	指向堆中Scanner的引用
a = sc.nextInt()	main	1 (a)	键盘输入值（如5）
b = sc.nextInt()	main	2 (b)	键盘输入值（如3）
add(a, b)内部	add	0 (a)	main中a的值拷贝
		1 (b)	main中b的值拷贝

 在弄清楚栈之后，我们要开始介绍程序计数器了

3、程序计数器

​​ 程序计数器（Program Counter Register）是JVM运行时数据区中一个非常核心但容易被忽视的组件。它的作用可以用一句话概括：​

​记录当前线程正在执行的字节码指令的地址（行号）​，相当于代码执行的“书签”，确保线程切换或方法调用后能准确恢复到执行位置。

​程序计数器的作用​

1. ​线程执行的“导航仪”​​

• 每个线程独立拥有一个程序计数器，互不干扰。
• 存储的是下一条待执行指令的地址​（字节码的行号偏移量）。
  • 例如：当前执行到main方法的第5行字节码，PC寄存器就保存5。

2. ​方法调用时的“存档点”​​

• 当线程调用新方法（如add(a, b)）时：
  1. PC寄存器会暂存当前方法的执行位置（如main方法的第10行）。
  2. 切换到新方法的起始指令地址（如add方法的第0行）。
  3. 方法返回时，根据PC寄存器保存的地址恢复执行。

3. ​Native方法的特殊处理​

• 如果线程执行的是native方法（如JNI调用），PC寄存器的值为undefined。
  • 因为native方法的执行由本地代码（如C++）控制，不在JVM字节码范围内。

4.​为什么需要程序计数器？​​

• ​线程切换恢复​：CPU时间片轮转时，线程可能被挂起，PC寄存器确保恢复后继续执行正确位置。假设线程A执行compute()到PC=6时被挂起，线程B开始执行。当线程A恢复时，程序计数器会准确恢复到PC=6，继续执行iadd指令。
• ​方法调用/返回​：嵌套调用方法时（如A→B→C），PC寄存器保存调用链的返回路径。
• ​避免指令混乱​：无PC寄存器时，多线程执行可能导致代码位置错乱。

5.​与操作数栈的区别​

​程序计数器​	​操作数栈​
只存指令地址（数字），不存数据	存方法执行的临时数据（如a+b的结果）
线程切换依赖它	线程切换无关
永远不溢出	可能栈溢出（StackOverflowError）

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​以我们上面的那个程序为例：

public static void main(String[] args) {int a = sc.nextInt();  // 假设字节码行号10int b = sc.nextInt();  // 行号15int result = add(a, b); // 行号20
}

1. 线程执行到int a = sc.nextInt()时，PC寄存器保存10。
2. 调用nextInt()方法时，PC寄存器暂存15（下一条指令地址），跳转到nextInt的字节码起始位置。
3. nextInt执行完毕返回后，PC恢复为15，继续执行。​

​唯一无OOM的区域​：程序计数器是JVM规范中唯一不会发生OutOfMemoryError的区域。

​线程私有​：每个线程独立存储，生命周期与线程相同。

​性能关键​：JIT编译器会优化PC寄存器的使用，减少指令定位开销。

程序计数器虽然不直接存储业务数据，但它是JVM多线程执行和指令顺序控制的基础，类似于CPU中的指令指针（EIP/RIP）。

3、堆

JVM的堆内存(Heap Memory)是Java程序运行时数据区域中最重要的部分之一，主要用于存储对象实例和数组。堆内存是所有线程共享的内存区域，在JVM启动时创建。

以下是堆的内存结构图

堆内存的主要特点

1. ​对象存储区域​：几乎所有通过new关键字创建的对象实例都存储在堆中
2. ​垃圾回收的主要区域​：GC(垃圾收集器)主要管理堆内存
3. ​线程共享​：所有线程共享堆内存
4. ​动态分配​：堆的大小可以在JVM启动时指定，也可以动态扩展

堆内存的分代结构

现代JVM通常将堆内存划分为几个不同的代(Generation)，以便更高效地进行垃圾回收：

1. 年轻代(Young Generation)

• ​Eden区​：新创建的对象首先分配在Eden区
• ​Survivor区​：分为From Survivor和To Survivor两个区域，用于存放从Eden区经过GC后存活的对象
• 年轻代使用复制算法进行垃圾回收(Minor GC)

2. 老年代(Old Generation/Tenured Generation)

• 存放长期存活的对象
• 当对象在年轻代经历一定次数的GC后仍然存活，会被晋升到老年代
• 老年代使用标记-清除或标记-整理算法进行垃圾回收(Major GC/Full GC)

3. 永久代/元空间(PermGen/Metaspace)

• Java 8之前称为永久代(PermGen)，Java 8及以后改为元空间(Metaspace)
• 存储类元数据、方法区信息等
• 元空间使用本地内存(Native Memory)而非堆内存

堆内存相关参数

• -Xms：初始堆大小
• -Xmx：最大堆大小
• -Xmn：年轻代大小
• -XX:NewRatio：老年代与年轻代的比例
• -XX:SurvivorRatio：Eden区与Survivor区的比例

堆内存溢出

当堆内存不足时，会抛出OutOfMemoryError错误，常见原因包括：

• 内存泄漏
• 堆大小设置不合理
• 对象生命周期过长

4、方法区（元空间）

方法区（Method Area）是JVM规范定义的一个逻辑内存区域，在Java 8之前被称为永久代（PermGen）​，从Java 8开始被元空间（Metaspace）​取代。

核心概念

1. ​存储内容​：

   • 类元数据（Class metadata）：类的结构信息（字段、方法、构造器等）
   • 运行时常量池（Runtime Constant Pool）
   • 静态变量（Static variables）
   • 即时编译器（JIT）编译后的代码
   • 方法字节码

2. ​与堆的关系​：

   • 在Java 7及之前：方法区是堆的逻辑部分，物理上位于堆内存中
   • 从Java 8开始：元空间使用本地内存（Native Memory），不再属于堆内存

永久代 vs 元空间

特性	永久代（PermGen）	元空间（Metaspace）
​位置​	JVM堆内存的一部分	本地内存（Native Memory）
​大小限制​	受-XX:MaxPermSize限制	默认只受系统可用内存限制
​垃圾回收​	Full GC时回收	可单独触发元空间GC
​内存溢出​	java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space	java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
​调优参数​	-XX:PermSize, -XX:MaxPermSize	-XX:MetaspaceSize, -XX:MaxMetaspaceSize

元空间关键特性

1. ​动态扩展​：

   • 默认情况下，元空间会根据应用需求动态调整大小
   • 避免了永久代固定大小导致的OutOfMemoryError

2. ​类元数据生命周期​：

   • 与类加载器（ClassLoader）生命周期绑定
   • 当类加载器被回收时，其加载的类元数据也会被回收

3. ​内存管理​：

   • 使用mmap而非malloc来分配内存
   • 采用块（Chunk）分配策略，提高内存利用率

相关JVM参数

# 初始元空间大小（并非初始就分配，而是首次GC的阈值）
-XX:MetaspaceSize=64M# 最大元空间大小（默认基本无限制）
-XX:MaxMetaspaceSize=256M# 元空间扩容时增加的幅度（默认约20%）
-XX:MinMetaspaceFreeRatio=40
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio=70# 启用类元数据的并行卸载（JDK 12+）
-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark

常见问题

1. ​元空间内存泄漏​：

   • 通常由未关闭的类加载器引起
   • 常见于动态生成类（如使用ASM、CGLIB）的应用

2. ​调优建议​：

   • 监控元空间使用情况（JVisualVM、JConsole等工具）
   • 对于大量使用动态代理的应用，适当增加MaxMetaspaceSize
   • 避免创建过多类加载器

3. ​性能影响​：

   • 元空间GC会导致应用暂停（但比永久代Full GC影响小）
   • 过大的元空间可能影响Native Memory其他组件的使用

5、本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈是JVM内存结构中一个专门为本地方法（Native Method）​服务的内存区域，与Java虚拟机栈类似但服务于不同的目的。

核心概念

1. ​基本定义​：

   • 为JVM运行本地方法（Native Method）​服务的内存区域
   • 每个线程在调用本地方法时会创建独立的本地方法栈
   • 存储本地方法的调用状态、参数、局部变量等

举例：

//定义一个线程对象并开启
Thread t = new Thread(); 
t.start();                

那么在这个start()方法的底层就有一个本地方法：

1. ​与虚拟机栈的区别​：

   特性	Java虚拟机栈	本地方法栈
   服务对象	Java方法	本地方法（用native修饰的方法）
   实现规范	JVM规范明确要求	由JVM实现者自行决定
   语言类型	Java语言实现	通常用C/C++实现
   异常类型	StackOverflowError/OutOfMemoryError	由操作系统决定

关键特性

1. ​内存分配​：

   • 线程私有，生命周期与线程相同
   • 大小可以通过-Xss参数设置（与Java虚拟机栈共享同一参数）
   • 在HotSpot JVM实现中，本地方法栈和虚拟机栈是合二为一的

2. ​运行机制​：

   • 当线程调用native方法时：
     1. 在本地方法栈中创建栈帧
     2. 动态链接到本地方法接口（JNI）
     3. 执行本地方法实现（通常位于.dll或.so文件中）
     4. 返回结果后栈帧出栈

3. ​重要限制​：

   • 栈深度限制（可能抛出StackOverflowError）
   • 内存分配失败（可能抛出OutOfMemoryError）
   • 本地方法执行错误可能导致JVM崩溃（因为超出了JVM控制范围）

常见问题与调优

1. ​StackOverflowError​：

   • 本地方法递归调用层次过深
   • 解决方案：增大栈大小（-Xss参数），或优化本地方法实现

2. ​内存泄漏​：

   • 本地方法中分配的内存未正确释放
   • 特别注意事项：通过JNI New创建的Java对象需要特别管理

3. ​性能调优​：

   # 设置线程栈大小（包括本地方法栈）
   -Xss1m# 对于大量使用本地方法的应用，可能需要增大该值
   -Xss2m

4. ​安全风险​：

   • 本地方法栈可能成为攻击入口（缓冲区溢出等）
   • 建议：对关键本地方法进行严格的安全审计

注意事项

1. HotSpot JVM的实现特点：

   • 在主流JVM实现（如HotSpot）中，本地方法栈和Java虚拟机栈是合并的
   • 通过-Xoss参数设置本地方法栈大小的功能在HotSpot中无效

2. 平台差异性：

   • 不同操作系统对本地方法栈的支持可能有差异
   • 32位/64位系统的默认栈大小不同

3. 调试建议：

   • 使用-XX:+PrintFlagsFinal查看实际栈大小
   • 对于本地方法问题，需要结合系统级调试工具（如gdb）