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JVM内存结构

一、JVM 内存布局概述

  • 重要性：内存是系统核心资源，JVM 内存布局确保高效运行。
  • 划分：
  • 线程私有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈。
  • 线程共享：堆、方法区（含元空间、代码缓存等堆外内存）。
  • 生命周期：
  • 随 JVM 启动创建，随退出销毁：堆、方法区。
  • 随线程创建和销毁：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈。

二、程序计数器（PC 寄存器）

  • 定义：线程私有的小块内存，记录当前线程执行的字节码指令地址。
  • 作用：
  • 存储下一条指令地址，供执行引擎读取。
  • 支持 CPU 线程切换后继续执行。
  • 特点：
  • 内存占用极小，运行速度最快。
  • 每个线程独立，不受干扰。
  • 执行 Java 方法时记录指令地址，Native 方法时为 undefined。
  • 无 OutOfMemoryError 异常。
  • 示例：反编译 .class 文件（javap -v），查看 Code 区指令。

三、虚拟机栈

1. 概述
  • 定义：线程私有，保存栈帧（Stack Frame），管理 Java 方法调用。
  • 作用：存储局部变量、部分结果，参与方法调用和返回。
  • 特点：
  • 快速分配，仅次于程序计数器。
  • 操作：入栈（方法执行）、出栈（方法结束）。
  • 无垃圾回收。
  • 异常：
  • StackOverflowError：栈容量超限（-Xss 设置）。
  • OutOfMemoryError：无法扩展或创建新栈。
2. 栈帧
  • 存储单位：栈帧，每个对应一个方法调用。
  • 运行原理：
  • 遵循“先进后出”。
  • 当前栈帧（栈顶）有效，执行引擎操作针对它。
  • 方法调用生成新栈帧，方法返回弹出栈帧。
  • 结构：
  • 局部变量表：
    • 存储方法参数和局部变量（基本类型、引用类型）。
    • 容量编译期确定，运行时不变。
    • Slot：最小单位，32 位占 1 个，64 位（long、double）占 2 个。
    • this 占 Slot 0（实例方法），静态方法无 this。
    • Slot 可重用，节省空间。
    • 与性能和 GC 根节点相关。
  • 操作数栈：
    • 后进先出，存储计算中间结果。
    • 深度编译期确定（max_stack）。
    • 通过入栈、出栈操作数据，无索引访问。
    • 数据类型与指令严格匹配。
    • 栈顶缓存：HotSpot 将栈顶元素缓存到 CPU 寄存器，提升效率。
  • 动态链接：
    • 指向运行时常量池的方法引用。
    • 将符号引用转为直接引用。
    • 绑定：
    • 静态链接：编译期确定。
    • 动态链接：运行期确定（晚期绑定）。
    • 虚方法表：类加载时创建，优化动态分派。
  • 方法返回地址：
    • 存储调用者的 PC 值。
    • 正常返回（return）或异常退出（异常表确定）。
  • 附加信息：调试支持，依赖具体实现。

四、本地方法栈

  • 定义：线程私有，管理 Native 方法调用。
  • 作用：
  • 调用非 Java 代码（如 C 实现的方法）。
  • 与操作系统交互。
  • 特点：
  • 与虚拟机栈类似，可固定或动态扩展。
  • 异常：StackOverflowError、OutOfMemoryError。
  • HotSpot 中与虚拟机栈合并。
  • Native 方法：
  • 接口：Java 调用外部代码。
  • 原因：效率、与外部环境交互。

五、堆内存

1. 概述
  • 定义：线程共享，存储对象实例，JVM 内存最大区域。
  • 划分（优化 GC）：
  • 年轻代：Eden + Survivor (From/To)，默认 8:1:1。
  • 老年代：长期存活对象。
  • 元空间（JDK 8 后）：本地内存，非堆。
  • 特点：
  • 物理上可不连续，逻辑上连续。
  • 可固定或扩展（-Xmx、-Xms）。
  • 溢出抛 OutOfMemoryError。
2. 对象分配过程
  • 流程：
  • 新对象分配到 Eden。
  • Eden 满时，Minor GC 回收无用对象，存活对象移至 Survivor。
  • Survivor 间切换，年龄 +1。
  • 达到年龄阈值（默认 15，-XX:MaxTenuringThreshold）或大对象（-XX:PretenureSizeThreshold）进入老年代。
  • 老年代满时，Major GC，若仍不足抛 OOM。
  • TLAB：
  • Eden 内的线程私有缓冲区。
  • 避免并发分配的线程安全问题。
  • 默认占 Eden 1%（-XX:TLABWasteTargetPercent）。
3. GC 类型
  • Minor GC：新生代回收。
  • Major GC：老年代回收（常与 Full GC 混淆）。
  • Full GC：整个堆和方法区回收。
  • Mixed GC：新生代 + 部分老年代（G1 GC）。
4. 堆参数
  • 设置：
  • -Xms：初始堆大小（默认内存/64）。
  • -Xmx：最大堆大小（默认内存/4）。
  • 比例：
  • 新生代:老年代 = 1:2（-XX:NewRatio）。
  • Eden:From:To = 8:1:1（-XX:SurvivorRatio）。
  • 自适应调整（-XX:+UseAdaptiveSizePolicy）。
5. 逃逸分析
  • 定义：分析对象作用域，优化分配。
  • 优化：
  • 栈上分配：对象不逃逸，分配到栈上，随栈帧销毁。
  • 同步省略：锁对象不逃逸，取消同步。
  • 标量替换：对象分解为标量，分配到栈或寄存器。
  • 参数：-XX:+DoEscapeAnalysis（JDK 6u23 后默认开启）。

六、方法区

1. 概述
  • 定义：线程共享，存储类信息、常量、静态变量、JIT 代码。
  • 特点：
  • 逻辑上属堆，实际为非堆（Non-Heap）。
  • 大小可固定或扩展，溢出抛 OutOfMemoryError。
  • 演进：
  • JDK 6：永久代（堆内）。
  • JDK 7：永久代，字符串常量池和静态变量移至堆。
  • JDK 8：元空间（本地内存），常量池和静态变量在堆。
2. 内部结构
  • 类型信息：类名、父类、修饰符、接口列表。
  • 域信息：名称、类型、修饰符。
  • 方法信息：名称、返回类型、参数、字节码、异常表。
  • 运行时常量池：
  • 存储编译期字面量和符号引用。
  • 运行期动态添加（如 String.intern()）。
  • 溢出抛 OutOfMemoryError。
3. 参数设置
  • JDK 8：
  • -XX:MetaspaceSize：初始大小（默认 20.75MB）。
  • -XX:MaxMetaspaceSize：最大值（默认无限制）。
  • 触高水位线触发 Full GC。
4. 垃圾回收
  • 目标：
  • 废弃常量：无引用即可回收。
  • 无用类：实例全回收、类加载器回收、Class 对象无引用。
  • 控制：-Xnoclassgc 禁用类回收。

七、总结

  • 线程私有：
  • 程序计数器：指令地址，无 OOM。
  • 虚拟机栈/本地方法栈：栈帧管理方法调用，可能抛 SOE/OOM。
  • 线程共享：
  • 堆：对象存储，分代优化 GC。
  • 方法区：类信息和常量，JDK 8 后用元空间实现。
  • 交互：栈执行方法，堆存储对象，方法区提供元数据支持。