JVM内存模型详解

Java虚拟机(JVM)内存模型是理解Java程序运行机制的核心，它定义了程序运行时数据的组织方式和访问规则。与Java内存模型(JMM)关注并发不同，JVM内存模型主要描述运行时数据区的结构和功能。

一、JVM内存模型概述

JVM内存模型将运行时数据划分为多个区域，每个区域有特定的用途和生命周期：

JVM内存结构
├── 线程共享区域
│   ├── 堆(Heap)
│   └── 方法区(Method Area) [JDK8+称为元空间(Metaspace)]
│
└── 线程私有区域├── 程序计数器(PC Register)├── Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)└── 本地方法栈(Native Method Stack)

二、堆(Heap) - 对象生存之地

1. 核心特性

共享性：被所有线程共享
动态性：运行时动态分配内存
GC主要区域：垃圾收集器管理的主要区域

2. 堆内存结构

现代JVM采用分代收集策略，堆分为：

堆内存
├── 新生代(Young Generation) [占堆1/3]
│   ├── Eden区 [80%]
│   └── Survivor区 [20%, 分为From和To]
│
└── 老年代(Old Generation/Tenured) [占堆2/3]

对象分配流程：

新对象首先尝试在Eden区分配
Eden区满时触发Minor GC
存活对象移到Survivor区(年龄+1)
对象年龄达到阈值(默认15)后晋升老年代
老年代空间不足时触发Full GC

3. 重要参数

-Xms：初始堆大小
-Xmx：最大堆大小
-XX:NewRatio：老年代/新生代比例
-XX:SurvivorRatio：Eden/Survivor比例

三、方法区(Method Area) - 类信息仓库

1. 存储内容

类型信息(类名、访问修饰符等)
运行时常量池(包括字符串常量)
字段和方法信息
静态变量
方法字节码
JIT编译后的代码

2. 演进历史

JDK7及以前：永久代(PermGen)，在堆中
JDK8+：元空间(Metaspace)，使用本地内存

3. 重要参数

-XX:PermSize / -XX:MaxPermSize (JDK7)
-XX:MetaspaceSize / -XX:MaxMetaspaceSize (JDK8+)

四、程序计数器(PC Register) - 执行指针

1. 特点

线程私有
占用很小内存空间
无OOM区域
记录当前线程执行的字节码指令地址

2. 作用

线程切换后能恢复到正确执行位置
执行Native方法时值为undefined

五、Java虚拟机栈(JVM Stack) - 方法执行舞台

1. 栈帧结构

每个方法调用创建一个栈帧，包含：

栈帧(Stack Frame)
├── 局部变量表(Local Variable Table)
├── 操作数栈(Operand Stack)
├── 动态链接(Dynamic Linking)
└── 方法返回地址(Return Address)

2. 核心组件

局部变量表：
- 存储方法参数和局部变量
- 以Slot为最小单位(32位)
- long/double占2个Slot
操作数栈：
- 方法执行的工作区
- 后进先出(LIFO)结构
- 存储计算中间结果
动态链接：
- 指向运行时常量池的方法引用
- 支持方法调用时的动态绑定

3. 异常情况

StackOverflowError：栈深度超过限制(递归过深)
OutOfMemoryError：栈扩展失败(内存不足)

4. 重要参数

-Xss：设置线程栈大小(默认1MB)

六、本地方法栈(Native Method Stack)

1. 特点

为Native方法服务
由JVM实现决定具体结构
HotSpot将Java虚拟机栈和本地方法栈合并

七、直接内存(Direct Memory)

1. 特点

不是JVM规范定义的内存区域
通过NIO的ByteBuffer.allocateDirect()分配
避免Java堆和Native堆间数据拷贝
受MaxDirectMemorySize限制

2. 重要参数

-XX:MaxDirectMemorySize：设置直接内存上限

八、JVM内存参数配置实践

1. 典型配置示例

java -Xms2048m -Xmx2048m -Xmn1024m -Xss256k \-XX:MetaspaceSize=256m -XX:MaxMetaspaceSize=256m \-XX:+UseG1GC -jar application.jar

2. 参数说明

-Xms和-Xmx：通常设为相同避免扩容开销
-Xmn：新生代大小，一般占堆1/3到1/2
-Xss：根据线程数量调整，避免过多线程导致内存耗尽

九、内存区域对比表

区域	线程共享	存储内容	异常	配置参数
堆	是	对象实例	OOM	-Xms, -Xmx
方法区	是	类信息、常量	OOM	MetaspaceSize
PC计数器	否	指令地址	无	无
JVM栈	否	栈帧	SO/OOM	-Xss
本地方法栈	否	Native方法	SO/OOM	通常与-Xss共用