JVM的运行时数据区_jvm运行时数据区-优快云博客

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运行时数据区结构

方法区(JDK1.7)

JDK1.8以前，方法区位于堆内存中，大小固定，容易引发内存溢出(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space)。

为什么容易引发内存溢出？

方法区的内存大小固定不易扩展
类的卸载要满足(实际上很难都条件，所以基本不会回收，导致一些没用的类没法卸载)：
1. 该类的所有实例都被垃圾回收
2. 加载该类的类加载器已经被垃圾回收等
一些框架会动态生成类，这些动态生成的类也会占用空间

元空间(JDK1.8)

元空间位于本地内存中，可以动态扩展(理论上取决于本地内存大小)，减少内存溢出风险。

存储内容

元空间中主要存储了一下信息：

类的结构信息：类名，父类名，接口列表
字段信息：名称，数据类型，修饰符
方法信息：方法名，返回类型，参数列表，字节码指令(执行方法指令)，异常信息表等
类常量池：
1. 字面量：
  1. 字符串字面量(双引号内的字符串)
  2. 基本数据类型的值；
2. 类中被final修饰的常量(字面量赋值，引用类型的话类常量池中存储的是符号引用)

运行时常量池

JVM加载类时，会将class文件常量池中的内容导入，并在程序运行时动态添加新的常量

存储内容

类常量池数据
符号引用：包括类的，字段的，方法等的符号引用，在运行时将这些符号引用解析为直接引用地址

JVM读取到.java文件，Java编译器将.java文件编译成.class文件(字节码文件)，此时的class文件存放在文件系统中(target目录下)
类加载器加载class文件，将类信息存放在元数据空间
运行时常量池是在类加载器加载类时创建的
每个类都有自己独立的运行时常量池，它的内容是由类常量池转换来的

堆

JVM管理的最大一块内存区域，用于存储所有的实例对象和数组。它是垃圾回收(GC)的主要区域。堆的设计直接影响程序性能，内存利用率和稳定性。

存储内容

对象实例：
1. 通过new关键字创建的对象(Object obj = new Object())
2. 实例变量(成员变量)的值，包括基本类型数据和对象引用
数组：所有数组类型(int[],String[])的数据都存放在堆中
字符串常量池：存储字符串对象的引用
其他缓存对象：如缓存框架（EhCache、Guava Cache）中的对象，或静态集合（如static List）长期持有的对象

堆的分代结构

新生代
1. Eden区：新对象首次被分配到的区域(大约80%的新生代空间)
2. Survivor区(S0/S1)：存活对象在Minor GC后复制到此处，S0，S1交替使用(各占10%)
老年代：多次GC后存活的对象存放至此(如长期缓存，全局配置对象)

新生代的设计是为了快速回收短期存货对象(如局部变量，临时对象)
多次GC后存活的对象晋升至老年代，可以减少GC对长期存活对象的扫描开销(如果长期存活对象依然存放在新生代，每次Minor GC时都会去扫描)
大对象直接分配到老年代(若对象大小超过-XX:PretenureSizeThreshold参数值)

垃圾回收算法

新生代

复制算法：将Eden区域和其中一个Survivor区(From区)的存活对象复制到另一个Survivor区(To区)，清空原区内存。

优点是：垃圾回收后内存连续(无碎片)，分配高效

缺点是：需要预留一块内存空间用于复制存活对象；存活对象较多时，复制成本增加

新生代触发GC：

Eden区满：当新生代中的Eden区没有足够的空间分配给新对象的时候，会触发Minor GC(Java对象大多都是"朝生暮死"，所以Minor GC很频繁，一般回收速度很快)
Survivor区域的To区空间不足：这些对象会进入老年代，若老年代也无法容纳，会触发Full GC

大对象会直接进入老年代：需要大量连续空间存储的对象(如长字符串，数组)会直接在老年代中分配，以免在新生代中频繁触发GC
当Survivor区中相同年龄或更高年龄的对象所占用的空间总和超过Survivor区空间的一半时，这些对象就会被直接晋升到老年代
当对象的年龄到达阈值的时候，会晋升到老年代

老年代

标记-清除算法：标记无用对象后清除(可能会产生内存碎片)

标记-整理算法：标记后整理内存，消除碎片

老年代触发GC：

老年代空间不足：当老年代的空余空间不足以容纳从新生代晋升来的对象时，会触发Full GC
方法区(永久代或者元空间)空间不足，会触发Full GC
调用System.gc()：调用后不一定会立即执行Full GC

分代收集

结合不同的垃圾回收算法，新生代和老年代采用不同的垃圾回收算法和策略进行垃圾回收，提高回收效率，减少STW(Stop-The-World)时间

如G1收集器将堆划分为多个Region，动态分代管理

复制算法详解

对象分配阶段

新对象被分配到Eden区域，如果Eden区域空间不足，则触发Minor GC。

垃圾回收阶段

标记存活对象：从根对象(GC Root)出发，标记所有可达对象
复制存活对象：将Eden区域和Survivor(From区域)的存活对象复制到Survivor(To区域)。存活对象每经历一次GC年龄+1
更新引用：更新所有指向复制对象的引用，使其指向新地址
交换角色：将Survivor的From区域和To区域互换，等待下次GC
清空Eden和From区：清空Eden区域和Survivor的From区域中剩余的对象
晋升老年代：如果存活对象的年龄超过阈值(15,-XX:PretenureSizeThreshold参数值)，或者To区域空间不足，对象直接晋升到老年代

特点

垃圾回收后的内存空间是连续的，能提高分配效率
需要暂停应用线程(Stop-The-World)
需要预留内存空间，始终有一块内存空闲(可以通过调整Eden和S0/S1比例减少内存浪费)
如果存活对象过多，复制成本显著增加

在复制存活对象时，有些收集器(ParNew收集器)会采用并行复制。多线程并行复制减少STW(Stop-The-World)时间
可以通过调整Eden和S0/S1比例减少内存浪费

标记-清除算法详解

标记阶段

从根对象(GC Roots)出发，遍历所有直接引用对象
递归标记可达对象(间接或直接引用最终能在堆中找到对象)
1. 通过深度优先搜索(DFS)或者广度优先搜索(BFS)遍历对象图，标记可达对象为"存活"

清除阶段

遍历堆内存，检查每个对象的标记状态
回收未标记对象：如果对象没有被标记(不可达)，直接回收(释放内存)；已标记的对象重置标记位，为下一次GC做准备

特点

回收后的内存是碎片化的(不连续)，可能会引发内存碎片问题
标记和清除阶段会暂停所有的应用线程(Stop-The-World)，可能会产生明显的延迟

根对象(GC Roots)包括：线程栈中的局部变量表中的引用对象；本地方法栈中局部变量表的引用对象；元空间中的静态变量(引用类型)，其他常量引用等
标记阶段的标记实现方式：1. 对象头标记位：在对象头中设置标记位，标记是否存活

2.独立位图：使用单独的内存区域记录存活对象的地址，避免修改对象头

标记-整理算法详解

标记阶段

从GC Roots出发，遍历对象引用链，标记可达的对象

整理阶段

计算对象新地址：计算每个存活对象移动后的目标地址
更新对象引用：将存活对象更新后的地址更新到指向这些对象的引用
移动对象：将存活对象按顺序复制到目标地址，覆盖原有的内存区域

清除阶段

回收空闲内存：整理完成后，存活的对象集中在内存的一端，另一端的内存空间(包括原存活对象移动后留下的空隙)被一次性回收

特点

无内存碎片：内存连续分配，提升分配效率
内存利用率高：无需预留内存(对比复制算法)
高延迟：整理阶段需要移动对象并更新引用，导致长时间STW(Stop-The-World)
实现复杂：需要处理对象移动，引用更新，跨代引用(新生代对象中引用了老年代的对象)等问题

算法对比

吞吐量：系统在单位时间内处理的请求总数(包括TPS和QPS)

算法	适用场景	内存碎片	吞吐量	停顿时间
标记-整理	老年代	无	中	长(大堆时显著)
标记-清除	老年代	有	高	短(仅标记清除)
复制算法	新生代	无	高	短(低存活率时)

栈

栈是线程私有的，每个线程在创建时都会分配独立的栈空间。线程独立管理自己的方法调用栈

线程私有：虚拟机栈，本地方法栈，PC寄存器(程序计数器)

虚拟机栈

在JVM中，栈帧是调用方法的基本单元，每当一个方法被调用时，就会创建一个栈帧压入当前线程的虚拟机栈中；方法执行完毕，栈帧会被弹出。

栈帧的结构

局部变量表

存储方法参数和方法内部定义的局部变量

数据结构：

以索引为单位的数组，索引从0开始
基本类型(如 int，float)和对象引用(如Object)占一个索引位(槽位)，long和double占两个连续的索引位(槽位)
实例方法(非static)的索引0存储的是this引用，后续一次为方法参数和局部变量

示例：

public int calculate(int x, int y) {
    long sum = x + y;
    return (int) sum;
}

局部变量表结构：

索引	内容	类型
0	`this`	对象引用
1	`x`	`int`
2	`y`	`int`
3-4	`sum`	`long`

操作数栈

存储字节码指令的操作数，用于执行计算、方法调用和返回结果

数据结构：

后进先出(LIFO)的栈结构，最大深度在编译时确定
字节码指令（如iadd、invokevirtual）从栈顶取出操作数，并将结果压回栈顶

示例

int a = 10;
int b = 20;
int c = a + b;

操作数栈执行流程：
1. bipush 10 → 栈顶压入10。
2. istore_1 → 栈顶值10存入局部变量表索引1（变量a）。
3. bipush 20 → 栈顶压入20。
4. istore_2 → 栈顶值20存入索引2（变量b）。
5. iload_1 → 加载a的值10到栈顶。
6. iload_2 → 加载b的值20到栈顶。
7. iadd → 弹出10和20，计算结果30压入栈顶。
8. istore_3 → 栈顶值30存入索引3（变量c）。

动态连接

将符号引用（Symbolic References）转换为直接引用（Direct References）

实现机制：

符号引用：类、方法、字段的名称描述（如java/lang/Object.toString()）
直接引用：目标方法在内存中的实际地址（如方法入口指针）
解析过程可能在类加载阶段（静态解析）或运行时（动态解析，如多态方法调用）

示例

多态方法调用：

Animal animal = new Dog();
animal.speak(); // 动态链接到Dog类的speak()方法

方法返回地址

记录方法执行结束后应返回的位置

两种情况：

正常返回：程序计数器（PC寄存器）记录调用方法的下一条指令地址
异常返回：异常处理表（Exception Table）决定跳转位置

示例：

调用方法A()内部调用B()：

void A() {
    B(); // PC记录此处地址+1
    System.out.println("A done");
}

当B()执行完毕，根据返回地址回到System.out.println("A done")

其他附加信息

异常处理表(Exception Table)：

记录try-catch块的范围和异常处理器入口
发生异常时，JVM查找匹配的catch块并跳转

运行时常量池引用：

指向当前方法所属类的常量池，用于动态链接时的符号解析

特点

线程私有：每个线程独立管理栈帧，避免并发冲突
轻量高效：基于栈的操作模型简化指令集设计，适合跨平台执行
动态扩展：支持方法嵌套调用，深度由栈大小限制
内存隔离：栈帧随方法调用自动创建/销毁，内存管理简单可靠

本地方法栈

独立于虚拟机栈，专门用于本地方法的调用，与Java虚拟机栈功能类似，但处理的是非Java语言（如C或C++）编写的方法

HotSpot虚拟机不区分虚拟机栈和本地方法栈，两者是一块的。这意味着它们共享相同的栈空间

特点

线程私有：与虚拟机栈类似，每个线程独立分配
避免本地方法执行干扰Java代码的栈管理

程序计数器(PC寄存器)

JVM中的程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，主要用于存储当前线程正在执行的字节码指令的地址

线程切换的恢复点：在多线程环境下，CPU会在不同线程之间进行切换。程序计数器记录了每个线程当前执行的位置，当线程切换回来时，可以根据程序计数器的值继续从正确的位置执行
方法调用和返回的地址记录：程序计数器会记录方法调用和返回的地址，确保方法执行完成后能够正确返回到调用方法的下一条指令
异常处理的恢复点：当发生异常时，程序计数器记录了异常发生时的位置，便于异常处理器在处理后恢复到异常发生前的执行位置