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JVM 内存结构详解

article 2024/12/4 17:25:05

JVM（Java Virtual Machine）内存结构是 Java 程序运行的核心，它管理着程序运行时所需的内存空间，确保内存分配、回收以及线程之间的安全和高效通信。以下是 JVM 内存结构的详细解析。

1. JVM 内存结构概览

JVM 的内存结构主要分为以下五个区域：

程序计数器（Program Counter Register）
Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）
本地方法栈（Native Method Stack）
堆（Heap）
方法区（Method Area，包含运行时常量池）

此外，还包括直接内存（Direct Memory）。

JVM 内存结构示意图

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|  方法区 (Method Area) |
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|          堆           |
+-----------------------+
| 本地方法栈 | 虚拟机栈 | 程序计数器 |
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2. 各内存区域详解

2.1 程序计数器（Program Counter Register）

定义：程序计数器是每个线程独有的内存区域，用于记录当前线程正在执行的字节码指令的地址。
特性：
- 每个线程都有独立的程序计数器（线程私有）。
- 如果线程正在执行本地方法（native 方法），程序计数器的值为空（undefined）。
作用：
- 在多线程环境中，程序计数器用于记录线程的执行位置，实现线程的上下文切换。

2.2 Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

定义：虚拟机栈是线程私有的，存储每个方法调用的执行状态，包括局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
结构：
- 每次方法调用都会创建一个栈帧（Stack Frame），栈帧包含：
  1. 局部变量表：存储方法参数和局部变量。
  2. 操作数栈：用于计算过程中的中间结果。
  3. 动态链接：指向方法相关的运行时常量池。
  4. 方法返回地址：保存方法调用后的返回地址。
特性：
- 线程私有。
- 方法调用遵循栈的 “先进后出” 原则。
异常：
- StackOverflowError：栈深度超过虚拟机允许的最大深度。
- OutOfMemoryError：栈内存不足。

2.3 本地方法栈（Native Method Stack）

定义：本地方法栈为执行本地方法（native 方法）提供服务。
特性：
- 线程私有，与虚拟机栈类似。
- 本地方法通常使用 JNI（Java Native Interface）调用 C/C++ 等语言的代码。
异常：
- StackOverflowError：栈深度超出限制。
- OutOfMemoryError：栈内存不足。

2.4 堆（Heap）

定义：堆是 JVM 中最大的内存区域，用于存储所有的对象实例和数组。它是线程共享的。
特性：
- 堆是 GC（垃圾回收器）管理的主要区域。
- 堆分为多个子区域：
  1. 年轻代（Young Generation）：
    - 包含 Eden 区、From Survivor 区和 To Survivor 区。
    - 对象通常在 Eden 区分配，经过几次垃圾回收后晋升到老年代。
  2. 老年代（Old Generation）：
    - 存储生命周期较长的对象。
  3. 元空间（Metaspace，JDK 8+）：
    - 存储类的元信息（之前是方法区的一部分）。
异常：
- OutOfMemoryError: Java Heap Space：堆内存不足，无法分配新对象。

2.5 方法区（Method Area）

定义：方法区用于存储类元信息、常量、静态变量和 JIT 编译后的代码等。
特性：
- 线程共享。
- 在 JDK 8 之前，方法区由永久代（PermGen）实现；JDK 8 后改为元空间（Metaspace）。
运行时常量池：
- 方法区的一部分，用于存储编译期生成的常量（如字符串字面量）和运行时生成的常量。
异常：
- OutOfMemoryError: Metaspace：元空间内存不足。
- OutOfMemoryError: PermGen Space（JDK 8 之前）。

2.6 直接内存（Direct Memory）

定义：直接内存不属于 JVM 内存的一部分，但由 JVM 使用，例如 NIO（Java New I/O）中的 DirectBuffer。
特性：
- 分配在物理内存中，不受堆大小的限制。
- 速度快，适合大数据量传输。
异常：
- OutOfMemoryError：直接内存不足。

3. JVM 内存分区的线程关系

内存区域	线程关系	存储内容
程序计数器	线程私有	当前线程执行的字节码指令地址
虚拟机栈	线程私有	局部变量、操作数栈、方法调用相关信息
本地方法栈	线程私有	本地方法调用信息
堆	线程共享	对象实例、数组
方法区	线程共享	类元信息、静态变量、运行时常量池、JIT 编译代码
直接内存	线程共享	NIO 缓冲区

4. JVM 内存的主要问题

4.1 内存泄漏（Memory Leak）

原因：对象不再被使用，但无法被垃圾回收。

示例：

import java.util.*;

public class MemoryLeakExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add("Memory Leak"); // 持续增加，不释放
        }
    }
}

4.2 内存溢出（OutOfMemoryError）

常见场景：
1. 堆内存不足（OutOfMemoryError: Java Heap Space）。
2. 栈内存不足（StackOverflowError）。
3. 元空间不足（OutOfMemoryError: Metaspace）。
4. 直接内存不足。

5. JVM 内存调优

5.1 常用 JVM 参数

堆内存相关：
- -Xms：设置堆的初始大小。
- -Xmx：设置堆的最大大小。
- -XX:NewRatio：设置新生代与老年代的比例。
栈内存相关：
- -Xss：设置每个线程的栈大小。
元空间相关：
- -XX:MetaspaceSize：设置元空间初始大小。
- -XX:MaxMetaspaceSize：设置元空间最大大小。

5.2 垃圾回收器

JVM 提供了多种垃圾回收器，可以通过以下参数选择：
- -XX:+UseSerialGC：使用串行垃圾回收器。
- -XX:+UseParallelGC：使用并行垃圾回收器。
- -XX:+UseG1GC：使用 G1 垃圾回收器。
- -XX:+UseZGC：使用 Z 垃圾回收器（低延迟）。