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内存结构/运行时数据区

news 2025/11/15 10:20:28

背景知识：

内存结构

新生代如何转变成老年代

如何理解永久代、年轻代、老年代

核心概念

为什么图上看起来方法区是在堆外的？明明方法区应该是在堆内的

NIO和BIO

1. 传统 I/O：BIO

2. 新 I/O：NIO

背景知识：

JVM运行流程：

Java源代码编译成class字节码文件，由类加载系统装载到运行时数据区；
运行时数据区把字节码加载到内存
执行引擎负责将字节码翻译为底层系统指令。

纠错：是MetaSpace，不是MateSpace

内存结构

我们常说的内存结构 === 运行时数据区

运行时数据区又分为：方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器

线程私有的有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈

线程共享的有：堆、方法区

程序计数器：记录当前线程正在执行的字节码指令的地址，物理上程序计数器是使用“寄存器”完成的。

虚拟机栈：

也叫线程栈，每个线程运行时所需要的内存，一个栈是由多个栈帧组成
栈帧对应着每次方法调用时所占有的内存，存储的内容是：方法参数、方法内局部变量、方法返回地址
一个线程每时刻只能有一个活动栈帧，对应当前正在执行的方法
垃圾回收不涉及到栈内存
方法递归过多会导致 java.lang.StackOverflowError 栈内存溢出

本地方法栈

本地方法接口运行时所需要的内存空间
以 native 修饰的方法就是本地方法，本地方法不是用Java写的（没有方法实现的，只有一个接口供Java调用），而是用C或C++编写，因为 Java 有些时候不能直接和操作系统底层打交道，因此Java通过接口间接调用C或C++编写的本地方法来与操作系统底层的API打交道。即Java通过本地方法调用操作系统底层功能。

堆

线程共享的区域，保存对象实例
逻辑组成：年轻代(生命周期短的对象) + 老年代(生命周期长的对象)
JDK1.7中堆中存在方法区的实现：永久代， JDK1.8把方法区的实现从堆移到本地内存且叫做：元空间

新生代如何转变成老年代

如何理解永久代、年轻代、老年代

一个绝佳的比喻

把JVM想象成一个工厂：

年轻代 & 老年代（堆）：就像是 原料仓库和生产线。

- 里面存放的是生产用的原材料和生产出来的产品（对象实例）。
- 这些原料和产品经常进进出出，不断更新（GC）。

永久代：就像是 工厂的行政办公室和设计图纸库。

- 里面存放的是员工手册（字节码）、产品设计图纸（类结构）、供应商名录（常量池）。
- 这些资料很少变动，一旦录入就会长期使用。

结论：
尽管“办公室”和“仓库”都在同一个工厂大院（堆内存）里，但它们的功能、管理方式和内容是完全不同的。这就是为什么我们说永久代在逻辑上是“非堆”（Non-Heap）。

现代变化：
到了JDK 8，这个“办公室”（永久代）被彻底搬出了工厂大院，在外面自立门户了，这就是元空间（Metaspace），它直接使用操作系统的本地内存，不再占用JVM堆的空间。

核心概念

首先需要明确：方法区是JVM规范的概念，而永久代/元空间是具体实现

方法区：JVM规范定义的内存区域，用于存储类信息、常量、静态变量等
永久代/元空间：方法区的具体实现方式

JDK 1.7 的永久代（PermGen）

// 在JDK 1.7中，这些数据都存储在永久代
public class Example {private static String staticVar = "静态变量";  // 存储在永久代private final String constant = "常量";        // 存储在永久代public void method() {String internStr = "字符串".intern();      // 字符串常量池在永久代}
}

永久代特点：

位于堆内存中
有固定的大小限制（通过-XX:MaxPermSize设置）
容易发生java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

JDK 1.8 的元空间（Metaspace）

// 在JDK 1.8中，这些数据的存储位置发生了变化
public class Example {private static String staticVar = "静态变量";  private final String constant = "常量";        public void method() {String internStr = "字符串".intern();     }
}

元空间特点：

位于本地内存（系统内存），不在JVM堆中
默认无大小限制（受系统内存限制）
通过-XX:MaxMetaspaceSize设置上限
发生OOM时错误信息：java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

内存结构对比

JDK 1.7 内存布局：

JVM进程内存
├── 堆内存 (Heap)
│   ├── 年轻代 (Young Generation)
│   ├── 老年代 (Old Generation)  
│   └── 永久代 (Permanent Generation) ← 方法区实现
└── 栈内存 (Stack)

JDK 1.8 内存布局：

JVM进程内存
├── 堆内存 (Heap)                    ← 只有对象实例
│   ├── 年轻代 (Young Generation)
│   └── 老年代 (Old Generation)
├── 元空间 (Metaspace)               ← 方法区实现（本地内存）
└── 栈内存 (Stack)

为什么要做这个改变？

永久代问题：

- 容易OOM，调优困难
- FGC(FGC 就是 Full GC 的缩写，中文叫 全局垃圾回收 或 整堆垃圾回收,FGC 是指一次性回收整个 Java 堆（包括年轻代和老年代）以及方法区/元空间（Metaspace）的垃圾)会回收永久代，但效果不好(FGC 是影响应用稳定性和响应时间的“性能杀手”。
  优化的核心目标之一就是：尽可能减少或避免 Full GC 的发生)
- 字符串常量池在永久代中，容易内存泄漏

元空间优势：

- 自动扩展：默认不限制大小
- 垃圾回收改进：单独的垃圾回收机制
- 性能提升：减少Full GC触发
- 内存管理：使用本地内存，更灵活

方法区

线程共享的区域，存储的是类信息、静态变量、常量、编译后的代码、运行时常量池
JDK7方法区的实现叫：永久代，占用的是堆的内存空间，大小固定

为什么图上看起来方法区是在堆外的？明明方法区应该是在堆内的

1. 永久代 (PermGen) - Java 7及以前

永久代就是在堆里面的

物理位置：在JVM堆内存内部划出的一块特定区域。您可以把它想象成堆里的一个“特区”。
逻辑归属：因为它在堆里，所以从“JVM进程总内存”这个大逻辑上看，它属于堆。但为了和存放对象实例的“Java堆”区分开，它被称为 “非堆（Non-Heap）”。

JDK8方法区的实现叫：元空间，占用的是本地内存的空间，大小自动调整

直接内存

直接内存不属于JVM内存管理，而是操作系统的内存
常见于NIO操作时，用于数据缓冲区

NIO和BIO

1. 传统 I/O：BIO

BIO 指的是 Blocking I/O。

工作模式：同步并阻塞。
通俗比喻：就像在餐厅里，一个服务员（一个线程）服务一桌客人。服务员从点餐到上菜，必须一直等待这桌客人，直到他们完全吃完。在此期间，这个服务员不能为其他桌服务，即使他大部分时间只是在“等待”。
在程序中的体现：当服务器读取数据或写入数据时，如果数据没有准备好，线程会被挂起（阻塞），直到数据就绪。这会导致为每一个客户端连接都需要创建一个独立的线程，当连接数非常多时，线程数量暴涨，消耗大量系统资源，导致性能急剧下降。

2. 新 I/O：NIO

NIO 指的是 New I/O。

工作模式：同步但非阻塞。
通俗比喻：就像在餐厅里，一个服务员（一个线程）服务所有客人。服务员不停地巡逻（轮询），依次询问每一桌：“需要点餐吗？”、“菜上了吗？”、“需要买单吗？”。如果某桌客人说“还没想好”，服务员就立刻去问下一桌，而不是在原地等待。
在程序中的体现：NIO 的核心是 Channel（通道） 和 Selector（选择器）。

- Channel：可以设置为非阻塞模式。当没有数据可读或可写时，线程会立即返回做别的事情，而不是被阻塞。
- Selector：一个线程可以管理多个 Channel。Selector 会不断地轮询注册在它上面的 Channel，检查哪些 Channel 已经准备好了（如，有数据可读、可写、连接已建立）。然后，线程只去处理那些已经准备好的 Channel。