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JVM中内存是如何分配的

JVM在执行Java程序时，会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域可以分为两大类：线程共享区域和线程私有区域。

线程共享区域 (所有线程共享)

  1. Java堆 (Java Heap): 这是JVM管理的内存中最大的一块，也是我们最关心的区域。它的唯一目的就是存放对象实例和数组。几乎所有的对象实例都在这里分配内存。Java堆是垃圾收集器（GC）管理的主要区域。

  2. 方法区 (Method Area): 它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器（JIT）编译后的代码等数据。在JDK 1.8及以后，方法区的实现从永久代（PermGen）变为了元空间（Metaspace），元空间使用的是本地内存，而不是JVM堆内存。

线程私有区域 (每个线程独有一份)

  1. 虚拟机栈 (JVM Stack): 每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈。每当一个方法被调用，就会创建一个“栈帧”（Stack Frame）并压入栈中，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法调用结束，栈帧就出栈。

  2. 本地方法栈 (Native Method Stack): 与虚拟机栈类似，但它是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务的。

  3. 程序计数器 (PC Register): 一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

核心：Java堆中的内存分配

现在我们来聚焦于对象内存分配的核心区域——Java堆。现代主流的JVM（如HotSpot）都采用分代收集算法，因此堆内存的分配是基于这个理论来进行的。

分代策略

Java堆被划分为两个主要部分：

  • 新生代 (Young Generation)
  • 老年代 (Old Generation)

新生代又被细分为： * 一个伊甸园区 (Eden Space) * 两个幸存者区 (Survivor Space)，通常称为S0和S1。

这种划分基于一个重要的观察：绝大多数Java对象都是“朝生夕死”的，生命周期很短。

对象的分配与晋升流程

一个对象的内存分配通常会经历以下旅程：

  1. 诞生于伊甸园 (Eden) 绝大多数情况下，新创建的对象会被首先分配在新生代的Eden区。这是一个非常高频的操作。

  2. 伊甸园满，触发Minor GC 当Eden区没有足够空间进行下一次分配时，虚拟机会触发一次新生代的垃圾收集，即Minor GC。

    • 在GC期间，Eden区中还存活着的对象，会被复制到其中一个空的幸存者区（比如S0）。
    • 同时，对象的“分代年龄”会加1。
    • GC完成后，Eden区被清空。

  3. 在幸存者区之间“倒腾” 当Eden区再次被填满，又一次触发Minor GC时：

    • GC会扫描Eden区和当前正在使用的幸存者区（比如S0）。
    • 将所有存活的对象，复制到另一个空的幸存者区（S1）。
    • 这些被复制的对象的年龄再次加1。
    • GC完成后，Eden区和S0区都被清空。 此后，S0和S1的角色会互换，如此循环往复。

  4. 晋升到老年代 (Promotion) 一个对象不会永远在新生代停留。当它的分代年龄达到一个阈值（默认是15）时，它就会在下一次Minor GC时被“晋升”到老年代。

特殊情况

  • 大对象直接进入老年代：如果一个对象非常大（比如一个巨大的数组），需要大量连续的内存空间，JVM会选择让它直接在老年代分配。这样做是为了避免这个大对象在新生代的Eden区和两个Survivor区之间进行大量的复制，这会带来很高的性能开销。
  • 分配并发处理 - TLAB：为了提高对象分配的效率，特别是在多线程环境下，JVM使用了TLAB（Thread Local Allocation Buffer）技术。即为每个线程在Eden区预留一小块私有缓冲区域。线程创建新对象时，首先在自己的TLAB中分配，避免了多线程竞争堆内存时需要加锁的开销。

栈中的内存分配

与堆不同，栈的内存分配是高度确定的。当一个方法被调用时，一个栈帧被创建并压入栈；当方法返回时，栈帧被弹出并销毁。栈帧中用于存放局部变量的空间，在编译期间就已经确定大小。这种分配和回收速度非常快，不涉及复杂的GC过程。