Java虚拟机（JVM）是Java程序运行的核心环境，它负责管理内存分配、垃圾回收、字节码执行等关键任务。理解JVM的内存区域划分，对于优化Java应用性能、排查内存问题（如OutOfMemoryError、StackOverflowError）至关重要。本文将详细解析JVM的内存结构，涵盖各个区域的作用、特点、异常情况，并结合实际案例进行分析。

1. JVM内存区域概述

JVM的内存区域主要分为线程私有和线程共享两大类：

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（元空间）、运行时常量池。

此外，直接内存（堆外内存）虽然不由JVM直接管理，但也会影响Java程序的内存使用。

2. 线程私有内存区域

2.1 程序计数器（Program Counter Register）

作用

程序计数器（PC寄存器）是当前线程执行的字节码指令的行号指示器。在任意时刻，JVM的线程只会执行一个方法的代码，而程序计数器存储的就是该方法的下一条指令地址。

特点

线程私有：每个线程都有独立的程序计数器，互不干扰。
Native方法时值为undefined：当线程执行的是本地方法（如JNI调用C/C++代码）时，程序计数器的值不会被记录。
唯一不会抛出OutOfMemoryError的区域：因为它的生命周期与线程绑定，且大小固定。

示例

public class PCRegisterExample {public static void main(String[] args) {int a = 1;int b = 2;int c = a + b; // 程序计数器记录当前执行位置System.out.println(c);}
}

在这个例子中，程序计数器会记录main方法执行到哪一行代码。

2.2 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

作用

虚拟机栈存储栈帧（Stack Frame），每个方法调用都会创建一个栈帧，包含：

局部变量表：存放方法参数和局部变量（基本类型、对象引用）。
操作数栈：用于计算中间结果（如iadd指令相加两个数）。
动态链接：指向运行时常量池的方法引用。
方法返回地址：方法执行完毕后返回的位置。

异常

StackOverflowError：当栈深度超过JVM允许的最大深度（如无限递归）。

public class StackOverflowExample {public static void recursiveCall() {recursiveCall(); // 无限递归，导致栈溢出}public static void main(String[] args) {recursiveCall();}
}

OutOfMemoryError：当线程过多，导致无法分配新的栈空间（可通过-Xss调整栈大小）。

调整栈大小

java -Xss256k MyApp  # 设置每个线程栈大小为256KB

2.3 本地方法栈（Native Method Stack）

作用

与虚拟机栈类似，但服务于本地方法（Native方法），如JNI调用的C/C++代码。

异常

StackOverflowError：本地方法调用过深。
OutOfMemoryError：本地方法栈扩展失败。

3. 线程共享内存区域

3.1 堆（Heap）

作用

堆是JVM管理的最大内存区域，几乎所有对象实例和数组都在堆上分配。

分区（分代垃圾回收模型）

新生代（Young Generation）
- Eden区：新对象首先分配在这里。
- Survivor区（S0/S1）：经过Minor GC后存活的对象会被移到Survivor区。
老年代（Old Generation）：长期存活的对象（经过多次GC后仍然存活）晋升到老年代。
元空间（Metaspace）（JDK 8+）：取代永久代，存储类元信息、方法字节码等。

垃圾回收

Minor GC：清理新生代。
Major GC / Full GC：清理整个堆（包括老年代），通常较慢。

异常

OutOfMemoryError: Java heap space：堆内存不足（可通过-Xmx调整）。

public class HeapOOMExample {public static void main(String[] args) {List<byte[]> list = new ArrayList<>();while (true) {list.add(new byte[1024 * 1024]); // 不断分配1MB数组}}
}

运行时可调整堆大小：

java -Xms512m -Xmx1024m HeapOOMExample  # 初始堆512MB，最大堆1024MB

3.2 方法区（Method Area）

作用

存储：

类信息（类名、父类、接口、方法等）。
运行时常量池。
静态变量（static）。
JIT编译后的代码（如热点代码优化）。

JDK 8的变化

JDK 7及之前：永久代（PermGen），固定大小，容易OutOfMemoryError: PermGen space。
JDK 8+：元空间（Metaspace），使用本地内存，默认无上限（受物理内存限制）。

异常

OutOfMemoryError: Metaspace：加载过多类（如动态生成类）。
```
java -XX:MaxMetaspaceSize=256m MyApp  # 限制元空间大小
```

3.3 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

作用

存储编译期生成的字面量（如"Hello"字符串）。
存储符号引用（类、方法、字段的引用）。

异常

OutOfMemoryError：常量池溢出（如大量String.intern()调用）。

4. 直接内存（Direct Memory）

作用

通过ByteBuffer.allocateDirect()分配的堆外内存，避免Java堆与Native堆的数据拷贝，提高IO性能（如NIO）。
不受JVM堆大小限制，但受物理内存影响。

异常

OutOfMemoryError：物理内存不足。

public class DirectMemoryOOM {public static void main(String[] args) {List<ByteBuffer> list = new ArrayList<>();while (true) {list.add(ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024)); // 分配1MB直接内存}}
}

5. 总结

内存区域	线程私有/共享	作用	异常
程序计数器	私有	记录指令地址	无
虚拟机栈	私有	存储栈帧	`StackOverflowError`、`OOM`
本地方法栈	私有	支持Native方法	`StackOverflowError`、`OOM`
堆	共享	存储对象实例	`OOM: Java heap space`
方法区（元空间）	共享	存储类信息	`OOM: Metaspace`
运行时常量池	共享	存储常量	`OOM`
直接内存	堆外	NIO高效IO	`OOM`