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Java基础语言进阶学习——1，JVM内存模型（堆、栈、方法区）

news 2025/11/1 18:59:08

JVM内存模型（堆、栈、方法区）

学习目标：深入理解JVM内存模型中的堆、栈和方法区

文章目录

目录

JVM内存模型（堆、栈、方法区）

文章目录

一、堆、栈和方法区的比喻：工厂车间

二、JVM Stacks（栈）

1.核心概念

2.栈帧（Stack Frame）结构

局部变量表（Local Variable Table）

操作数栈（Operand Stack）

动态链接（Dynamic Linking）

方法返回地址（Return Address）

栈的异常

三，Heap（堆）

核心概念

1.线程共享：JVM中最大的一块内存区域，所有线程都共享此区域。

2.存储内容：对象实例、数组、字符串常量池（JDK7+）、静态变量（从JDK7起）

3.GC策略：垃圾收集器管理的主要区域，被称为“GC堆”。

4.分区结构：分代结构是堆的核心设计。

5.堆的异常

四，方法区

1.核心概念

1，线程共享：与堆一样，是各个线程共享的内存区域。

2，存储内容：

即时编译代码缓存（JIT Cache）：热点方法编译后的机器码

3. 历史演变 

4.元空间（Metaspace）进阶详解

5.内存结构图：

五，总结与对比

六，综合案例：

一、堆、栈和方法区的比喻：工厂车间

在开始之前，我们先建立一个宏观印象：

  • 堆：就像一个巨大的中央仓库，存放着所有生产出来的“产品”（对象实例）。大家都可以申请使用这里的空间。

  • 栈：就像每个工人手边的工作台，工作台上放着当前正在组装的零件（局部变量）。每个工人（线程）都有自己的工作台，互不干扰。

  • 方法区：就像工厂的设计图纸库，存放着所有产品的设计图（类信息、常量、静态变量）。

二、JVM Stacks（栈）

1.核心概念

1.线程私有：每个线程仔创建时都会同步创建一个虚拟机栈。生命周期与线程相同。

2.存储内容：存储栈帧（Stack Frame），每个栈帧对应一个方法的执行。

3.作用：描述Java方法执行的内存模型。每个方法从调用大执行完毕，都对应这一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

  • 入栈：方法调用时创建一个新的栈帧压入栈顶。
  • 出栈：方法返回时（包括正常return或异常抛出）弹出当前栈帧。

2.栈帧（Stack Frame）结构

局部变量表（Local Variable Table）

  • 存放方法参数和方法内部定义的局部变量
  • 存储数据类型：
    • 基本数据类型（int, boolean等）
    • 引用类型（对象引用指针，如Object）
  • 大小固定：编译期确定大小（不会运行时扩大）
  • Slot结构：
    • 每个槽位（Slot）占32位（4字节）
    • long/double需占用2个连续Slot

操作数栈（Operand Stack）

  • 临时工作区（类似CPU寄存器）
  • 实现字节码指令的运算（如iadd加法操作需从栈顶取2个值）
  • 后进先出结构：所有计算基于栈顶元素进行

动态链接（Dynamic Linking）

  • 指向运行时常量池的符号引用（如com/example/MyClass#method()）
  • 指向运行时转换为直接引用（方法实际地址）

作用：

  • 支持多态（虚方法绑定）
  • 解决跨类方法调用的引用确定问题

方法返回地址（Return Address）

  • 存储方法退出后下一条指令的位置
  • 方法退出方式：
    1. 正常退出：return指令（PC计数器记录地址）
    2. 异常退出：异常表记录处理地址
  • 异常处理路径：
    1. 若方法未处理异常 → 栈帧被弹出并传递给调用方
    2. 若所有栈帧均未处理 → 线程终止

详细例子分析：

public clas StackExample{public static void main(String[] args){int a = 10;int b = 20;int result = add(a,b);System.out.println(result);}public static int add(int x, int y){int sum = x + y;return sum;}
}

分析栈的变化：

1，程序启动：main线程启动，JVM为其创建虚拟机栈。

2，执行main方法：main方法的栈帧被压入栈。

        局部变量表：存储args, a, b,  result。

        此时栈的状态：

|--------------------|
| main方法的栈帧      | <-- 栈顶
|--------------------|

3，调用add方法：在计算add(a, b)时，add方法的栈帧被压入栈。

        局部变量表：存储参数 x (值为10），y (值为20），以及局部变量sum.

        此时栈的状态：

|--------------------|
| add方法的栈帧       | <-- 栈顶
|--------------------|
| main方法的栈帧      |
|--------------------|

4，add方法执行完毕：add方法执行到return sum;   其栈帧出栈。返回值被传递给main方法栈帧中的result变量。

        此时栈的状态：

|--------------------|
| main方法的栈帧      | <-- 栈顶
|--------------------|

5，main方法执行完毕：main方法栈帧出栈，栈空，线程结束。

栈的异常

StackOverflowError:

如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度（比如无限递归），就会抛出此错误。

public class StackOverflowDemo{public static void recursiveMethod(){recursiveMethod();//无限递归自己}public static void main(String[] args){recursiveMethod();}
}

OutOfMemoryError:

如果虚拟机栈可以动态扩展，但在扩展时无法申请到足够的内存，就会报此错误。

三，Heap（堆）

核心概念

1.线程共享：JVM中最大的一块内存区域，所有线程都共享此区域。

  为规避线程安全问题，JVM设计了 TLAB（Thread-Local Allocation Buffer） 机制:

  • 每个线程在Eden区有独立的分配缓冲区
  • 小对象优先在TLAB分配（无需锁）
  • 大对象直接分配在共享堆空间（需同步）

2.存储内容：对象实例、数组、字符串常量池（JDK7+）、静态变量（从JDK7起）

3.GC策略：垃圾收集器管理的主要区域，被称为“GC堆”。

        补充机制：

  •                 分代收集理论：年轻代（Minor GC)与老年代 （Major GC).
  •                 GC类型触发条件：
  •                         Eden满  ——> Minor GC
  •                         老年代满 ——> Maior GC
  •                         Metaspace满/System.gc()——> Full GC

4.分区结构：分代结构是堆的核心设计。

  • 新生代（Eden + Survivor S0/S1）
  • 老年代（对象长期存活区）

关键分区解析：

  • 转移规则：
    • 对象在Eden分配
    • Minor GC存活 → 移入Survivor区（年龄+1）
    • 年龄达阈值（默认15）→ 晋升老年代

扩展说明：JDK8+永久代被元空间（Metaspace）替代，堆只存储对象数据

解决的问题：掌握分代设计与GC触发机制，是解决OOM、优化高并发应用内存的关键基础！

详细例子：

public class HeapExample{public static void main(String[] args){Person person = new Person("Alice", 25);}
}class Person{private String name;private int age;public Person(String name, int age){this.name = name;this.age = age;}
}

内存分配过程：

1，Person person :这会在当前线程（main) 的栈帧的局部变量表中创建一个person变量。这个变量是一个引用类型，它现在还没有指向任何对象，值是null.

2，new Person("Alice", 25):  new关键字会在堆中开辟一块内存空间，用于存储新创建的Person对象。这个对象包含了其内部数据name和age。

        注意：String name 本身也是一个对象。字符串”Alice“ 如果不存在，可能会在堆内的字符串常量池（JDK7后移至堆）中创建。

3，= ：赋值操作将栈中的person引用指向了堆中的Person对象实例。

最终内存结构图：

栈 (Stack)                 堆 (Heap)
|----------------|        |-------------------|
| main栈帧        |        |                   |
| ...            |        | ...               |
| person (引用) --------→ | Person对象实例     |
|                |        |   - name (引用) → | "Alice" (String对象) |
|----------------|        |   - age = 25     | |-------------------|

5.堆的异常

  • OutOfMemoryError：当堆中没有足够的内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，抛出此错误。这是最常见的内存错误之一。

四，方法区

1.核心概念

1，线程共享：与堆一样，是各个线程共享的内存区域。

2，存储内容：

  1. 类信息（Class Metadata）：
    • 类全限定名（如java.lang.String)
    • 方法字节码
    • 字段定义
  2. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）：
    • 符号引用（#12 = Methodref）
    • 字面量（String s="hello"的"hello"引用）

  3. 即时编译代码缓存（JIT Cache）：热点方法编译后的机器码

3. 历史演变 

  • JDK7及之前：永久代（PermGen）作为方法区实现（在堆内）
  • JDK8+：元空间（Metaspace）替代永久代
    • 存储位置：本地内存（Native Memory）
    • 关键优势：自动扩容（无PermGen OOM）

4.元空间（Metaspace）进阶详解

元空间 vs 永久代

特性永久代（PermGen）元空间（Metaspace）
存储位置堆内存内本地内存（非堆）
内存上限-XX:MaxPermSize=256m默认无上限（受OS限制）
OOM风险高频（类加载过多）显著降低（仍可能OS耗尽）
垃圾回收触发Full GC时回收独立于堆GC

详细例子：

public class MethodAreaExample{//静态变量——>存储在方法区pbulic static String STATIC_FIELE = "我是一个静态变量";//常量——> 存储在方法区的运行是常量池public static final String CONSTANT_FIELD = "我是一个常量";public static void main(String[] args){//类信息 -> 存储在方法区//当第一次使用这个类时，JVM会加载它，并将其他类信息（类目，方法代码，字段信息等）存入方法区中。//调用静态方法printMessage();
}public static void printMessage(){//方法的字节码——> 存储在方法区System.out.println(STATIC_FIELD);System.out println(CONSTANT_FIELD);}
}

5.内存结构图：

栈 (Stack)                 堆 (Heap)                   方法区 (Method Area)
|----------------|        |-------------------|        |-------------------------|
| main栈帧        |        |                   |        | MethodAreaExample类信息 |
| ...            |        | ...               |        | - 方法字节码 (main, printMessage) |
|----------------|        |-------------------|        | - 静态变量 STATIC_FIELD (引用) || "我是一个静态变量"  | ←-----| - 常量 CONSTANT_FIELD (引用) → | "我是一个常量" || "我是一个常量"      |        |-------------------------||-------------------|

方法区的异常

  • OutOfMemoryError：在JDK8之前，如果加载的类过多（比如大量动态生成类），可能导致永久代内存溢出。在元空间中，如果本地内存不足，同样会抛出此错误

五，总结与对比

特性虚拟机栈Java堆方法区
线程共享性线程私有线程共享线程共享
存储内容栈帧、局部变量、操作数栈对象实例、数组类信息、常量、静态变量、JIT代码
生命周期与线程相同与JVM进程相同与JVM进程相同
内存错误StackOverflowError
OutOfMemoryError		OutOfMemoryError (最常见)OutOfMemoryError
比喻工人的工作台中央仓库设计图纸库

六，综合案例：

public class ComprehensiveDemo {// 静态变量 -> 方法区private static String staticName = "GlobalName";// 实例变量 -> 随对象存在于堆private int instanceId;public ComprehensiveDemo(int id) {this.instanceId = id;}public void printInfo() {// 局部变量 -> 栈String localInfo = "Id: " + this.instanceId;System.out.println(localInfo);System.out.println(staticName);}public static void main(String[] args) {// 引用变量 ‘demo’ 在栈中// 对象 new ComprehensiveDemo(1) 在堆中ComprehensiveDemo demo = new ComprehensiveDemo(1);// 调用方法，创建方法栈帧demo.printInfo();}
}
http://www.dtcms.com/a/555365.html

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