栈、堆、方法区

Java 运行时数据区 - 总览

Java 虚拟机（JVM）在运行 Java 程序时管理一块内存区域，称为运行时数据区。根据《Java 虚拟机规范》，它分为多个部分，各有特定作用。

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1. Java 虚拟机栈

定义与特性

Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack） 是 JVM 用于管理方法调用的内存区域，采用栈式数据结构（先进后出，FILO）。每个方法调用创建一个栈帧（Stack Frame）。

• 生命周期：随线程创建而创建，随线程销毁而回收。
• 线程私有：每个线程拥有独立栈。

栈帧的组成

1.1 局部变量表

• 作用：存储方法运行时的局部变量。
• 结构：数组形式，每个元素为槽（Slot）。
  • long 和 double 占用 2 个槽。
  • 其他类型占用 1 个槽。
• 内容：
  • 实例方法第 0 槽存储 this。
  • 方法参数按声明顺序存储。
  • 方法体内局部变量。
• 优化：槽可复用。

1.2 操作数栈

• 作用：临时存储指令执行的数据。
• 特性：栈式结构，编译期确定最大深度。

1.3 帧数据

• 动态链接：符号引用转为运行时常量池地址。
• 方法出口：记录返回地址。
• 异常表：存储异常处理信息。

栈内存溢出

• 原因：栈帧过多，超出容量。
• 异常：StackOverflowError。

示例代码

public class StackOverflowTest {
    public static int count = 0;
    public static void recursion() {
        System.out.println(++count);
        recursion(); // 递归调用导致溢出
    }
    public static void main(String[] args) {
        recursion();
    }
}

设置栈大小

• 参数：-Xss<大小> 或 -XX:ThreadStackSize=<大小>。
• 单位：字节（需为 1024 倍数）、k/K（KB）、m/M（MB）、g/G（GB）。
• 限制（HotSpot JVM）：
  • Windows 64 位，JDK 8：最小 180KB，最大 1024MB。
• 建议：-Xss256k 节省内存。

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2. 本地方法栈

• 作用：管理 native 本地方法的栈帧。
• 实现：HotSpot 中与 Java 虚拟机栈共用空间。

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3. 堆

定义与特性

堆（Heap） 是 JVM 最大内存区域，存储对象实例。

• 线程共享：通过引用（如局部变量或静态变量）访问。
• 关键指标：
  • used：已使用内存。
  • total：已分配可用内存。
  • max：最大可用内存。
• 默认值：
  • max：系统内存 1/4。
  • total：系统内存 1/64。

设置堆大小

• 参数：
  • -Xms<大小>：初始堆大小。
  • -Xmx<大小>：最大堆大小。
• 单位：字节（需为 1024 倍数）、k/K、m/M、g/G。
• 建议：-Xms 和 -Xmx 设为相同值，避免频繁调整。

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4. 方法区

定义与作用

方法区（Method Area） 是线程共享区域，存储类信息和常量。

核心组成部分

1. 类的元信息：
   • 存储类的结构（如 InstanceKlass）。

2. 运行时常量池：
   • 将静态常量池转为直接引用。

3. 字符串常量池：
   • 存储字符串常量。

方法区溢出

• JDK 7：位于永久代（PermGen），用 -XX:MaxPermSize 控制。
• JDK 8+：移至元空间（Metaspace），默认无上限，可用 -XX:MaxMetaspaceSize 限制。

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5. ByteBuddy 框架简介

ByteBuddy 是用于动态生成和操作 Java 字节码的库。

使用步骤

1. 引入依赖（Maven）：

   <dependency>
       <groupId>net.bytebuddy</groupId>
       <artifactId>byte-buddy</artifactId>
       <version>1.14.12</version>
   </dependency>
   

2. 生成字节码：

   import net.bytebuddy.ByteBuddy;
   import net.bytebuddy.implementation.FixedValue;
   import static net.bytebuddy.matcher.ElementMatchers.named;
   
   public class ByteBuddyExample {
       public static void main(String[] args) throws Exception {
           Class<?> dynamicType = new ByteBuddy()
               .subclass(Object.class)
               .method(named("toString"))
               .intercept(FixedValue.value("Hello, ByteBuddy!"))
               .make()
               .load(ByteBuddyExample.class.getClassLoader())
               .getLoaded();
           System.out.println(dynamicType.newInstance().toString());
       }
   }