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JVM 内存结构、堆细分、对象生命周期、内存模型全解析

news 2025/11/14 7:46:50

我理解 JVM 内存体系，可以从整体结构、线程私有/共享、对象分配路径、永久代/元空间区别等几个方面去系统化地看。
JVM 的设计实际上兼顾了：线程隔离、垃圾回收效率、方法元数据存储、栈式执行模型等多个目标。

一、JVM 内存整体结构（JDK8 之后）

JDK8 之后的 JVM 内存区域可以分为两大类：
线程私有区域 和 线程共享区域

1️⃣ 线程私有（每个线程独占）

这些区域随着线程创建/销毁：

① 程序计数器（PC寄存器）

保存当前线程执行的字节码指令地址
线程切换后能恢复执行位置
没有 OOM 风险

② Java 虚拟机栈（Stack）

存储局部变量、操作数栈、方法调用链等
每个方法调用对应一个栈帧（Stack Frame）
当栈深度过深会抛出：
- StackOverflowError
- OutOfMemoryError: unable to create new native thread

③ 本地方法栈（Native Stack）

用于存储 native 方法调用
与 JVM 栈类似，只是针对 JNI 和本地代码

2️⃣ 线程共享（所有线程共享）

这些区域属于整个 JVM 进程：

① 堆（Heap）

JVM 中最大的一块内存
所有对象实例、数组都存放在堆中
垃圾收集的核心区域
会发生 OOM：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

② 方法区（Method Area，JDK8 之后使用 Metaspace）

主要存储：
- 类元数据（Class 信息）
- 方法信息
- 常量池
- 静态变量
JDK8 之后使用 元空间（Metaspace） 替代永久代

③ 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

存放字面量、符号引用、方法引用
属于方法区的一部分

二、永久代（PermGen） vs 元空间（Metaspace）

永久代（JDK7 及之前）

存储类元数据、静态变量、常量池等
内存大小由 JVM 参数控制，如：
```
-XX:PermSize
-XX:MaxPermSize
```
过多动态类加载会导致：

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

元空间（JDK8+）

类元数据不再存于 JVM 内部，而是存在 本地内存（Native Memory）
默认可以自动增长，减少 OOM 风险
受参数限制：
```
-XX:MetaspaceSize
-XX:MaxMetaspaceSize
```

设计意图：

永久代经常 OOM，且垃圾回收对它管理不佳
将类元数据移至本地内存后，更加灵活、安全

三、堆内存的细分结构（非常重要）

Java 堆分为两个区域：

Java Heap
├── 新生代（Young Generation）
│   ├── Eden（伊甸园）
│   └── Survivor（S0/S1）
└── 老年代（Old Generation）

新生代（Young）

新生分配的对象都在 Eden
当 Eden 填满时触发 Minor GC
存活对象转移到 Survivor 区

Survivor 区采用：

S0 与 S1 轮换（复制算法）
一个 Always Empty，一个接收复制对象

老年代（Old）

经多次 GC 仍存活的对象晋升到老年代
老年代使用标记-整理(Mark-Compact) 或 CMS/ G1/ ZGC

四、JVM 中对象的分配过程（HotSpot 为例）

对象分配总体流程如下：

① new 对象 → 先检查栈上是否能分配（逃逸分析）

如果方法内对象没有逃逸到外部：

JVM 会直接在栈上分配（Stack Allocation）
无 GC 压力
还会触发锁消除、标量替换等优化

② 大部分对象在 Eden 区分配

Eden 内存足够：
直接在 Eden 分配（使用指针碰撞 Bump-the-pointer）
Eden 不够 → 触发 Minor GC

③ Minor GC 之后，存活对象进入 Survivor S0

标记对象 → 拷贝到 S0 → 清空 Eden

④ 多次 Minor GC 后，对象晋升到老年代

晋升条件包括：

对象达到年龄阈值（默认 15）
Survivor区放不下（担保机制）

⑤ 大对象可能直接进入老年代

例如大型数组
参数控制：

-XX:PretenureSizeThreshold

五、垃圾回收过程（对象生命周期本质上是 GC 过程）

对象在堆中的生命周期本质上是：

创建 → 存活 → 晋升 → 回收

新生代 GC（Minor GC）

频繁发生
使用复制算法（清理快）

老年代 GC（Major/Full GC）

较少发生
用标记-整理或 CMS/G1/ZGC
停顿较长

六、JVM 有哪些类加载机制（补充整合）

三种主要方式：

1. 隐式加载

new 对象
调用静态方法
调用静态变量
反射

2. 显式加载

Class.forName()（会初始化）
ClassLoader.loadClass()（只加载不初始化）

3. 自定义类加载器

用于模块隔离、热加载、服务发现

七、对象能否被回收的判断方式（可达性分析 GC Roots）

GC Roots 包括：

栈帧中的局部变量表
方法区中的静态变量
JNI 本地方法引用
常量池引用

八、JVM 内存整体总结图（重点）

        线程私有--------------------------| 程序计数器 PC         || Java栈 Stack          || 本地方法栈 Native     |--------------------------线程共享--------------------------|      Heap（堆）        ||  ├─ Eden             ||  ├─ S0 / S1          ||  └─ Old              |--------------------------|  方法区（Metaspace）   ||  运行时常量池          |--------------------------

九、个人理解总结（面试很加分）

我认为 JVM 的内存结构整个核心目标是：
让对象分配高效（Eden、TLAB）、让 GC 有效分代（新生代+老年代）、让类元数据分离（Metaspace）、让线程隔离执行（栈+PC）
JVM 的设计体现了一个“以 GC 为中心的内存管理哲学”，所有区域的划分都是为了提升 GC 和执行效率。