内存模型与运行时数据区

运行时数据区概览

JVM 在执行 Java 程序时将其管理的内存划分为若干运行时数据区。其中有些随线程创建和销毁，有些随 JVM 启动和退出：

┌──────────────────────────────────────────┐
│           线程共享（GC 管理）              │
│  ┌─────────────────┐ ┌────────────────┐  │
│  │      堆 (Heap)   │ │  方法区/元空间  │  │
│  └─────────────────┘ └────────────────┘  │
├──────────────────────────────────────────┤
│           线程私有（无 GC）               │
│  ┌──────┐ ┌─────────┐ ┌───────────────┐  │
│  │  PC  │ │ VM Stack │ │ Native Stack  │  │
│  └──────┘ └─────────┘ └───────────────┘  │
├──────────────────────────────────────────┤
│              直接内存                      │
└──────────────────────────────────────────┘

程序计数器（PC Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作当前线程所执行的字节码的行号指示器。

• 线程私有：每个线程有独立的程序计数器
• 唯一不会 OOM 的区域：JVM 规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况
• 执行 native 方法时：计数器值为空（Undefined）

虚拟机栈（VM Stack）

虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法执行时会创建一个栈帧（Stack Frame），存储局部变量表、操作数栈、动态链接和方法返回地址。

栈帧结构

┌───────────────────────┐
│    局部变量表           │  ← 方法参数 + 局部变量
├───────────────────────┤
│    操作数栈             │  ← 计算中间结果
├───────────────────────┤
│    动态链接             │  ← 指向运行时常量池的方法引用
├───────────────────────┤
│    方法返回地址         │  ← 方法正常/异常退出后返回的位置
├───────────────────────┤
│    附加信息             │  ← 调试信息等
└───────────────────────┘

局部变量表

• 以变量槽（Slot）为基本单位，64 位类型（long/double）占 2 个 Slot
• 实例方法第 0 个 Slot 为 this 引用
• 局部变量表大小在编译期确定，运行期不会改变
• 垃圾回收根节点：局部变量表中的引用可作为 GC Roots

异常

• StackOverflowError：线程请求的栈深度超过允许值（递归调用常见）
• OutOfMemoryError：无法分配新栈（-Xss 设置栈大小，通常 256K-1M）

本地方法栈（Native Method Stack）

为虚拟机使用到的 native 方法服务。HotSpot 将虚拟机栈和本地方法栈合二为一。同样会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError。

堆（Heap）

堆是 JVM 管理的最大一块内存，所有线程共享，在 JVM 启动时创建。几乎所有对象实例和数组都在堆上分配。

分代结构

HotSpot 采用分代收集策略，堆内存分为：

┌──────────────────────────────────────────────────┐
│                      堆 (Heap)                    │
├───────────────────────┬──────────────────────────┤
│       新生代 (Young)   │      老年代 (Old)         │
├──────────┬────────────┤                          │
│   Eden   │ Survivor   │                          │
│          │  S0  │ S1  │                          │
└──────────┴──────┴─────┴──────────────────────────┘

• Eden 区：新对象首先在 Eden 区分配
• Survivor 区（S0/S1 或 From/To）：GC 后存活的对象从 Eden 搬到 Survivor
• 老年代：经过多次 GC 仍然存活的对象晋升到老年代

默认比例：新生代:老年代 = 1:2（-XX:NewRatio=2），Eden:S0:S1 = 8:1:1（-XX:SurvivorRatio=8）

堆内存参数

OOM 场景

// 堆 OOM 示例
List<byte[]> list = new ArrayList<>();
while (true) {
    list.add(new byte[1024 * 1024]); // 每次分配 1MB
}
// java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

方法区与元空间

从永久代到元空间

元空间使用本地内存（Native Memory），不再受堆大小限制，解决了永久代容易 OOM 的问题。

方法区存储内容

• 类的元数据：类名、访问修饰符、字段描述、方法描述
• 运行时常量池：编译期生成的各种字面量和符号引用
• 静态变量：类级别的 static 变量（Java 7+ 移至堆中）
• JIT 编译后的代码缓存

运行时常量池

class 文件中的常量池在类加载后存入方法区的运行时常量池。相比 class 文件常量池，运行时常量池更具动态性——运行期间也可以将新的常量放入池中，如 String.intern() 方法。

// String.intern() 示例
String s1 = new String("hello");  // 堆上创建对象
String s2 = s1.intern();          // 尝试将 "hello" 放入字符串常量池
String s3 = "hello";              // 直接引用常量池
System.out.println(s2 == s3);     // true

元空间 OOM

// 动态生成类导致元空间 OOM
// 常见于 CGLIB、Spring AOP 大量生成代理类
// java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

参数：-XX:MaxMetaspaceSize=256m 限制元空间最大值

直接内存

直接内存（Direct Memory）不属于 JVM 规范定义的运行时数据区，但也被频繁使用：

• NIO：ByteBuffer.allocateDirect() 分配堆外直接内存，避免 IO 时数据在堆和内核间拷贝
• JNI：native 代码直接分配的内存
• 线程栈：每个线程栈占用的内存

直接内存不受堆大小限制，但受物理内存限制。-XX:MaxDirectMemorySize 可设置上限（默认与 -Xmx 相同）。

// 直接内存 OOM
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024 * 1024);
// java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

各区域 OOM 速查表

小结

本章详细介绍了 JVM 运行时数据区的划分和各区域的特点。理解堆的分代结构、元空间的演进以及各区域的 OOM 触发条件，是后续学习垃圾回收和性能调优的基础。下一章将深入对象在 JVM 中的创建过程和内存布局。