02-JVM内存模型 | FHCY-Study

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1️⃣ 堆（Heap）

定义：堆是 JVM 运行时数据区的一部分，用于存储 对象实例 和数组。几乎所有通过new关键字创建的对象都在堆中分配内存。

特点：

堆是 JVM 中最大的内存区域，线程共享（多个线程访问同一堆）。

是 垃圾回收（Garbage Collection, GC） 的主要管理区域。

堆的大小可通过 JVM 参数配置（如-Xms设置初始堆大小，-Xmx设置最大堆大小）。

作用：存储动态分配的内存，例如类的实例对象、数组等。

1.新生代（Young Generation）

作用：存放新创建的对象，通常生命周期较短。

子区域：

Eden 区：

新对象首先分配在 Eden 区。
大多数对象在创建后很快变得不可达（例如，临时对象）。

Survivor 区（S0 和 S1）：

分为两个对等的区域：From Survivor（S0）和 To Survivor（S1）。
用于存放经过垃圾回收后仍存活的对象。
每次垃圾回收时，Eden 和 From Survivor 中存活的对象被复制到 To Survivor（Minor GC，也叫 Young GC）。
S0 和 S1 角色会互换（From 变成 To，To 变成 From）。

特点：

新生代占堆内存的较小部分（通常约为 1/3）。

使用 复制算法（Copying Algorithm） 进行垃圾回收，效率较高，因为新生代对象存活率低。

2.老年代（Old Generation）

作用：存放生命周期较长的对象，例如缓存对象、单例对象等。

来源：

从新生代 Survivor 区经过多次 Minor GC 后仍存活的对象（通常达到一定年龄阈值，默认为 15 次）会被晋升（Promotion）到老年代。

某些大对象（例如大数组）可能直接分配在老年代（通过-XX:PretenureSizeThreshold配置）。

特点：

老年代占堆内存的大部分（通常约为 2/3）。

垃圾回收频率较低，但每次回收耗时较长（Major GC 或 Full GC）。

通常使用 标记-清除（Mark-Sweep） 或 标记-整理（Mark-Compact） 算法。

3.永久代（PermGen，JDK 8 之前） / 元空间（Metaspace，JDK 8 及之后）

永久代（PermGen）：

作用：存储类元信息（Class Metadata，例如类结构、方法信息）、常量池（运行时常量池）、静态变量等。

位置：在 JDK 8 之前，永久代是堆的一部分，受-XX:MaxPermSize参数限制。

问题：容易因类加载过多（如动态代理、大量反射）导致 OutOfMemoryError: PermGen space。

元空间（Metaspace）：

变化：从 JDK 8 开始，永久代被移除，类元信息存储在 本地内存（Native Memory） 中的元空间。

特点：

元空间不再受堆大小限制，默认使用本地内存，最大值受操作系统限制。
可通过-XX:MaxMetaspaceSize设置元空间最大值。
减少了 PermGen 溢出的问题，但仍需关注类加载和卸载。

作用：与永久代类似，存储类元信息、常量池等。

4.垃圾回收（GC）与堆的关系

堆是垃圾回收的核心区域，不同区域的垃圾回收策略不同：

Minor GC（Young GC）：

发生在新生代，回收 Eden 和 From Survivor 中的不可达对象。

存活对象复制到 To Survivor 或晋升到老年代。

速度快，暂停时间短（Stop-The-World 暂停）。

Major GC / Full GC：

涉及整个堆（新生代 + 老年代 + 元空间）。

回收老年代和元空间中的不可达对象。

耗时较长，可能导致较长的应用暂停。

触发条件：

Eden 区满时触发 Minor GC。

老年代空间不足、元空间不足或显式调用 System.gc() 可能触发 Full GC。

5.堆的配置和优化

堆的性能直接影响 Java 应用的性能，以下是常见配置参数：

Xms：初始堆大小（例如 -Xms512m）。

Xmx：最大堆大小（例如 -Xmx2048m）。

Xmn：新生代大小（例如 -Xmn256m）。

XX:SurvivorRatio：Eden 区与 Survivor 区的比例（默认 8，即 Eden:S0:S1 = 8:1:1）。

XX:MaxMetaspaceSize：元空间最大大小。

XX:+UseG1GC：启用 G1 垃圾回收器（适合大堆、低延迟场景）。

优化建议：

根据应用特点调整新生代和老年代比例。

监控 GC 频率和暂停时间，减少 Full GC。

使用工具（如 VisualVM、JProfiler）分析堆使用情况，定位内存泄漏。

2️⃣ 栈（Stack）

定义：栈是 JVM 运行时数据区的一部分，用于存储 方法调用 和 局部变量。每个线程在 JVM 中都有自己的 线程栈（Thread Stack），也叫 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）。

特点：

线程私有：每个线程有独立的栈，互不干扰。

后进先出（LIFO）：栈按方法调用顺序压栈和出栈。

大小可通过 JVM 参数配置（如 -Xss，设置每个线程栈的大小，例如 -Xss1m）。

作用：

存储方法执行时的 局部变量（包括基本类型变量和对象引用）。

管理 方法调用栈帧（Stack Frame），包括方法参数、返回值、操作数栈等。

支持方法递归和动态调用。

1.栈的结构

栈由多个栈帧（Stack Frame）组成，每个栈帧对应一次方法调用。栈帧包含以下部分：

局部变量表（Local Variable Table）：

存储方法中的局部变量，包括：

基本数据类型（int、long、double 等）的值。
对象引用（指向堆中的对象地址）。
方法参数和 this（非静态方法中）。

大小在编译期确定，单位为槽（Slot），32 位类型占 1 槽，64 位类型（如 long、double）占 2 槽。

操作数栈（Operand Stack）：

用于方法执行时的临时计算，例如算术运算、方法调用时的参数传递。

基于栈的结构，操作数压入和弹出。

动态链接（Dynamic Linking）：

用于解析符号引用（例如方法调用、字段访问）到实际内存地址。

涉及运行时常量池（在堆的元空间中，JDK 8+）。

方法返回地址（Return Address）：

记录方法执行完成后返回的指令地址。

支持正常返回（return）或异常退出。

2.栈的工作机制

压栈（Push）：

每次方法调用，JVM 创建一个新的栈帧并压入当前线程的栈顶。

栈帧初始化局部变量表、操作数栈等。

出栈（Pop）：

方法执行结束（正常返回或抛出异常），栈帧被弹出，恢复调用者的栈帧。

局部变量和操作数栈的内容被销毁。

栈溢出（StackOverflowError）：

如果方法调用层次过深（如无限递归），栈空间不足，抛出 StackOverflowError。

可通过增大 -Xss 或优化代码（如避免深递归）解决。

线程隔离：

每个线程的栈独立，线程 A 的栈帧不会影响线程 B。

3.栈与堆的对比和关联

存储内容：

栈：存储局部变量（基本类型值、对象引用）、方法调用信息。

堆：存储对象实例、数组、类元信息（元空间，JDK 8+）。

内存管理：

栈：自动管理，方法结束时栈帧弹出，内存立即释放，无需垃圾回收。

堆：动态分配，由垃圾回收器管理，回收不可达对象。

生命周期：

栈：局部变量随方法调用结束而销毁，生命周期短。

堆：对象可能在多个方法间共享，生命周期可能较长（新生代 → 老年代）。

关联：

栈中的对象引用（如 String s）指向堆中的对象实例。

4.栈的配置和优化

栈大小配置：

Xss：设置每个线程的栈大小（默认 1MB，视 JVM 和操作系统而定）。

例如：-Xss512k 减小栈大小，适合线程数多但方法调用浅的场景。

优化建议：

避免深递归：将递归改为迭代（如用循环处理文件路径）。

减少局部变量：合并不必要的临时变量，减少栈帧占用。

监控栈溢出：使用工具（如 JVisualVM）分析线程栈深度，定位 StackOverflowError。

与堆的协同优化：

栈中的对象引用可能导致堆中对象无法被 GC 回收（例如，长时间持有引用）。

3️⃣ 方法区（Method Area）

定义：方法区是 JVM 运行时数据区的一部分，用于存储 类元信息 和 运行时常量池。它是 JVM 规范定义的逻辑区域，实际实现因 JVM 版本和供应商而异。

特点：

线程共享：方法区是所有线程共享的内存区域，与堆类似。

逻辑区域：方法区是 JVM 规范的一部分，具体实现可能不同（例如，JDK 7 及之前的永久代，JDK 8 及之后的元空间）。

垃圾回收：方法区可能进行垃圾回收（例如，卸载不再使用的类），但频率较低。

作用：

存储类元信息，包括类结构、方法代码、字段信息等。

存储运行时常量池，包含字符串字面量、符号引用等。

存储静态变量（JDK 7 之前，JDK 7+ 静态变量移至堆）。

1.方法区的内容

类元信息：

类的全限定名、父类、接口、修饰符。

方法的字节码（Code 属性，包含方法的指令序列）。

字段信息（名称、类型、修饰符）。

类的常量池（Class Constant Pool，编译期生成的符号引用）。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）：

每个类或接口的常量池在运行时的表示形式。

包含：

字面量（Literal，例如字符串字面量 "hello"、数字常量）。
符号引用（Symbolic Reference，例如类、方法、字段的引用）。

在类加载的解析阶段，符号引用会被解析为直接引用（指向实际内存地址）。

静态变量（Static Variables，JDK 7 之前）：

类的静态变量（static 修饰）存储在方法区。

从 JDK 7 开始，静态变量移至堆中（通常在类的实例对象中）。

2.方法区与堆、栈的关联

与堆的关联：

方法区的运行时常量池引用堆中的对象（例如，字符串字面量指向堆中的 String 实例）。

JDK 7+，静态变量和字符串常量池存储在堆中（通常在老年代）。

例如，代码：

String fileName = item.getFilename().toLowerCase();

String 类元信息（如 toLowerCase 方法的字节码）存储在方法区（元空间）。
fileName引用的String对象存储在堆中（Eden 区）。

与栈的关联：

栈中的栈帧（方法调用）通过动态链接访问方法区的类元信息和运行时常量池。

例如，调用 StringUtils.isNotBlank 时，栈帧中的动态链接解析到方法区中 StringUtils类的字节码。

交互流程：

类加载时，JVM 将类元信息加载到方法区。

方法调用时，栈帧从方法区获取方法字节码并执行。

对象创建时，栈中的引用指向堆中的实例，实例的类信息引用方法区的元信息。

4️⃣ 程序计数器（Program Counter）

定义：程序计数器是 JVM 运行时数据区的一部分，每个线程私有，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：每个线程有独立的程序计数器，互不干扰。

小内存：占用极小的内存空间，仅存储一个地址值。

无垃圾回收：程序计数器不存储对象引用，因此不需要垃圾回收。

无溢出异常：不像栈（可能抛出 StackOverflowError）或堆（可能抛出 OutOfMemoryError），程序计数器不会溢出。

作用：

记录当前线程执行的字节码指令地址，指导 CPU 执行下一条指令。

支持线程切换（上下文切换），保存和恢复线程的执行位置。

对于非 native 方法，存储 JVM 字节码地址；对于 native 方法，值未定义（通常为空）。

1.程序计数器的工作机制

指令地址存储：

JVM 执行引擎从程序计数器读取当前指令的地址，获取方法区中的字节码指令（如 invokevirtual、iload）。

执行指令后，程序计数器更新为下一条指令的地址（顺序执行或跳转，如 if 分支、goto）。

线程切换：

多线程环境下，JVM 通过时间片轮转调度线程。

线程挂起时，程序计数器保存当前指令地址；恢复时，从该地址继续执行。

代码中可能涉及多线程（如 Redis 操作），每个线程的程序计数器独立跟踪其执行位置。

特殊情况：

非 native 方法：程序计数器指向方法区中方法的字节码地址。

Native 方法：程序计数器不存储有效地址，因为 native 方法由本地代码（C/C++）执行，JVM 不直接控制。

2.程序计数器与堆、栈、方法区的关联

与栈（Stack）：

栈存储方法调用的栈帧（包括局部变量表、操作数栈）。

程序计数器记录当前栈帧执行的字节码指令地址。

例如：

String fileName = item.getFilename().toLowerCase();

栈帧存储 fileName（局部变量）和方法调用信息。
程序计数器指向 toLowerCase 方法的字节码指令地址。

与堆（Heap）：

堆存储对象实例（如 String 对象）。

程序计数器间接影响堆，通过执行指令（如 new 创建对象）触发堆内存分配。

例如，new String() 的指令地址由程序计数器记录，对象分配在堆的 Eden 区。

与方法区（Method Area）：

方法区存储类元信息和字节码。

程序计数器指向方法区中当前方法的字节码地址。

例如，RedisUtils.getCacheObject 的字节码存储在方法区（元空间），程序计数器记录执行到的指令位置。

5️⃣ 本地方法栈（Native Method Stack）

定义：本地方法栈是 JVM 运行时数据区的一部分，线程私有，用于支持 本地方法（Native Method） 的执行。本地方法是用非 Java 语言（通常是 C/C++）实现的，通过 Java Native Interface（JNI）调用。

特点：

线程私有：每个线程有独立的本地方法栈，互不干扰。

动态分配：栈大小由 JVM 实现决定，部分 JVM（如 HotSpot）将本地方法栈与虚拟机栈（Java 方法栈）合并。

可能溢出：与虚拟机栈类似，可能抛出 StackOverflowError（栈帧过多）或 OutOfMemoryError（栈空间不足）。

作用：

管理本地方法调用的栈帧，存储本地方法的局部变量、参数、返回值等。

支持 JNI 调用，例如访问操作系统资源（如文件、网络）或硬件功能。

为 Java 调用非 Java 代码提供运行环境。

1.本地方法栈的工作机制

栈帧管理：

每次调用本地方法，JVM 在本地方法栈中创建栈帧，存储：

局部变量（类似 Java 方法栈的局部变量表）。
方法参数和返回值。
操作数栈（视本地方法实现而定）。

本地方法执行由本地代码（C/C++）控制，栈帧内容由本地代码管理。

与 Java 方法栈的区别：

Java 方法栈：处理 Java 字节码方法，栈帧结构由 JVM 严格定义（包括局部变量表、操作数栈、动态链接等）。

本地方法栈：处理本地方法，栈帧结构由本地代码实现决定，JVM 不直接控制。

栈溢出：

如果本地方法调用层次过深（如递归调用 C 函数），可能抛出 StackOverflowError。

如果栈空间不足（例如，创建过多线程），可能抛出 OutOfMemoryError。

HotSpot JVM 实现：

在 Oracle 的 HotSpot JVM 中，本地方法栈和 Java 方法栈（虚拟机栈）通常合并为一个栈，统一由 -Xss 参数控制（例如 -Xss1m 设置线程栈大小）。

合并后，Java 方法和本地方法的栈帧在同一线程栈中管理。

2.本地方法栈与堆、栈、方法区、程序计数器的关联

与堆（Heap）：

本地方法可能通过 JNI 访问堆中的 Java 对象（例如，String 或数组）。

例如，调用本地方法修改堆中的 String 对象，本地方法栈存储 JNI 传递的对象引用，实际对象在堆中。

与栈（Java 方法栈）：

Java 方法调用本地方法时，Java 方法栈帧记录调用点，本地方法栈创建新栈帧执行本地代码。

返回 Java 方法后，本地方法栈帧弹出，Java 方法栈恢复执行。

例如，代码可能调用 System.getProperty（底层通过 JNI 实现），涉及 Java 方法栈到本地方法栈的切换。

与方法区（Method Area）：

方法区存储本地方法的符号引用（通过 JNI 定义的 native 方法签名）。

本地方法栈执行时，可能通过 JNI 访问方法区的类元信息。

与程序计数器（Program Counter）：

对于本地方法，程序计数器通常不存储有效地址（值未定义），因为本地方法的指令由 C/C++ 控制，而非 JVM 字节码。

Java 方法调用本地方法时，程序计数器记录调用指令地址，待本地方法返回后继续执行。