JVM 内存模型详解

JVM 运行时数据区是 Java 程序执行的基础，理解内存结构对性能优化和问题排查至关重要。

一、整体架构

JVM 运行时数据区分为五大部分：

二、程序计数器（PC Register）

2.1 作用

• 记录当前线程执行的字节码指令地址
• 线程切换后能恢复正确的执行位置
• 唯一没有 OOM 的区域

2.2 特点

每个线程独立
    ↓
存储当前执行的字节码行号
    ↓
执行 Native 方法时为 undefined

三、Java 虚拟机栈

3.1 栈帧结构

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

3.2 局部变量表

public void method(int a, long b, String c) {
    int d = 10;  // 局部变量
}

Slot 分配：

• int/float/引用：1 个 Slot
• long/double：2 个 Slot

3.3 操作数栈

// i = a + b * c
iload_1      // 加载 a
iload_2      // 加载 b
iload_3      // 加载 c
imul         // b * c
iadd         // a + (b * c)
istore 4     // 存储到 i

3.4 常见异常

// StackOverflowError - 栈深度超限
public void recursive() {
    recursive(); // 无限递归
}

// OutOfMemoryError - 栈容量不足
// -Xss 设置过小，线程数过多

四、本地方法栈

4.1 作用

• 为 Native 方法服务
• JVM 实现时可与方法区合并
• HotSpot 中与虚拟机栈合二为一

4.2 Native 方法示例

// System.currentTimeMillis() 是 Native 方法
public static native long currentTimeMillis();

// 底层调用操作系统 API

五、堆（Heap）

5.1 堆结构

堆内存
├── 新生代（Young Generation）
│   ├── Eden 区（8）
│   ├── Survivor0 区（1）
│   └── Survivor1 区（1）
└── 老年代（Old Generation）
    └── 大对象可直接进入老年代

比例：Eden : Survivor0 : Survivor1 = 8 : 1 : 1

5.2 对象分配流程

flowchart TD
    A[新对象] --> B{Eden 区<br>有空间？}
    B -->|是 | C[分配 Eden]
    B -->|否 | D[Minor GC]
    D --> E{Survivor<br>有空间？}
    E -->|是 | F[移动到 Survivor]
    E -->|否 | G[进入老年代]

5.3 对象内存布局

对象头（Header）
├── Mark Word（对象哈希、GC 信息、锁状态）
├── Klass Pointer（类型指针）
└── 数组长度（可选）

实例数据（Instance Data）
└── 继承的字段 + 自身字段

对齐填充（Padding）
└── 8 字节对齐

5.4 常见异常

# OutOfMemoryError: Java heap space
# 原因：对象过多，内存不足
# 解决：-Xmx 增大堆内存，排查内存泄漏

# OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded
# 原因：GC 时间超过 98%，回收内存不到 2%
# 解决：优化代码，减少对象创建

六、方法区（Method Area）

6.1 存储内容

方法区
├── 类信息（版本、字段、方法、接口）
├── 常量池（字符串常量、类引用）
├── 静态变量
├── 即时编译代码缓存
└── RunTimeConstantPool

6.2 运行时常量池

public class Test {
    // 编译期常量
    public static final int A = 1;
    
    // 运行时常量池
    String s1 = "abc";  // 字符串常量池
    String s2 = "abc";  // 同一引用
}

6.3 字符串常量池

String s1 = "abc";           // 常量池
String s2 = new String("abc"); // 堆中创建

System.out.println(s1 == s2);        // false
System.out.println(s1 == s2.intern()); // true

6.4 元空间（Metaspace）

JDK 8 变化：

• 永久代 → 元空间
• 使用本地内存，不再占用堆内存
• 默认不限制大小（可用 -XX:MaxMetaspaceSize 限制）

七、内存参数配置

7.1 常用参数

# 堆内存
-Xms256m          # 初始堆大小
-Xmx512m          # 最大堆大小
-Xmn128m          # 新生代大小

# 栈内存
-Xss256k          # 线程栈大小

# 方法区/元空间
-XX:MetaspaceSize=128m
-XX:MaxMetaspaceSize=256m

# GC 相关
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+UseG1GC      # 使用 G1 收集器

7.2 内存查看

# 查看进程
jps -l

# 查看内存使用
jstat -gc <pid> 1000

# 内存 dump
jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>

# 分析工具
jhat heap.hprof  # JDK 自带
MAT              # Eclipse Memory Analyzer

八、内存泄漏排查

8.1 常见原因

1. 静态集合：static Map/List 持有对象引用
2. 未关闭资源：IO 流、数据库连接
3. 监听器未注销：回调接口未移除
4. ThreadLocal 未清理：线程复用导致

8.2 排查步骤

1. 监控告警 → 2. dump 内存 → 3. MAT 分析 → 4. 定位代码

8.3 示例

// ❌ 内存泄漏
static List<Object> cache = new ArrayList<>();
public void add(Object obj) {
    cache.add(obj); // 只增不减
}

// ✅ 修复
WeakReference<Object> ref = new WeakReference<>(obj);

九、总结

JVM 内存核心要点：

理解内存结构是性能优化和问题排查的基础，建议结合 jstat、MAT 等工具实践。