Java 内存模型深度解析 —— 从代码到内存图

最新推荐文章于 2025-12-05 17:02:52 发布

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一、引言

Java 内存模型（Java Memory Model，JMM）是理解 Java 程序运行机制的关键。它规定了 Java 虚拟机（JVM）如何管理和访问内存，涉及方法区、栈、堆等核心区域。本文将结合代码示例与内存图，详细剖析 Java 内存的工作原理，帮助你从底层理解程序的执行过程。

二、Java 内存核心区域概述

（一）方法区

方法区是 JVM 中用于存储类结构信息的区域，包含类常量池和静态常量池：

类常量池：存储类的元数据，如类名、方法名、字段信息、常量等，是类加载时的 “蓝图”。
静态常量池：专门存放静态成员（static 修饰的变量、方法），属于类的共享资源，所有实例共享同一静态数据。

（二）栈（Stack）

栈又称 “线程栈”，为每个线程单独分配，用于存储方法执行时的局部变量、方法调用栈帧等。特点：

线程私有，随线程创建而创建，销毁而销毁。
栈帧（Stack Frame）：每个方法调用对应一个栈帧，包含局部变量表、操作数栈、返回地址等。

（三）堆（Heap）

堆是 JVM 中最大的内存区域，用于存储对象实例和数组。特点：

线程共享，所有线程可访问堆中对象。
对象创建（new）时在堆中分配空间，包含对象头（如类型指针、锁信息）、实例数据（普通变量）等。

（四）字符串常量池（String Constant Pool）

属于方法区的一部分，专门存储字符串常量（如 String res = "demo"; 中的 "demo"），避免重复创建，提升内存效率。

三、代码示例与内存图解析

（一）基础类型与字符串示例

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 20;
        String res = "demo";
    }
}

内存图剖析：

方法区：
- 类常量池：存储 Test 类的元数据（如 main 方法定义）。
- 静态常量池：因 main 中无静态成员，暂时为空（若有 static 变量，会在此分配）。
栈（线程栈 - main 方法栈帧）：
- 局部变量表：a（基本类型 int）直接存储值 20；res（引用类型 String）存储堆中对象的地址，指向字符串常量池的 "demo"。
堆：无普通对象（res 实际指向字符串常量池，堆中无额外对象）。
字符串常量池：存储 "demo"，res 引用指向此处。

关键点：

基本类型（如 int）的局部变量直接在栈中存值。
字符串常量（"demo"）优先存入字符串常量池，引用类型变量存地址。

（二）对象与静态成员示例

public class Cat {
    public String name;
    public int weight;
    public static String country = "中国"; 

    public static void run() {
        System.out.println("跑跑跑");
    }

    public void eat() {
        System.out.println("吃吃吃");
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Cat [name=" + name + ", weight=" + weight + ", country=" + country + "]";
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Cat cat1 = new Cat();
        cat1.name = "小花";
        cat1.weight = 10;

        Cat cat2 = new Cat();
        cat2.name = "小黑";
        cat2.weight = 18;

        System.out.println("小猫1：" + cat1);
        System.out.println("小猫2：" + cat2);
    }
}

内存图剖析：

方法区：
- 类常量池：存储 Cat 和 Test 类的元数据（方法定义、字段信息等）。
- 静态常量池：存储 Cat 的静态成员 country（值为 "中国"）和 run 方法，所有 Cat 实例共享。
栈（线程栈 - main 方法栈帧）：
- 局部变量 cat1、cat2 存储堆中 Cat 对象的地址。
堆：
- 两个 Cat 对象（cat1、cat2）：
  - 对象头：包含类型指针（指向方法区 Cat 类常量池）、锁信息等。
  - 实例数据：name（存字符串常量池地址，如 "小花"、"小黑"）、weight（存值 10、18）。
字符串常量池：存储 "中国"、"小花"、"小黑"，供 name 和 country 引用。

关键点：

静态成员（country、run）属于类，存方法区静态常量池，所有实例共享。
对象（cat1、cat2）在堆中分配，包含类型指针（关联方法区类信息）。

（三）数组与方法调用示例

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {5, 7, 100, 2};
        sort(arr);
    }

    public static void sort(int[] arr) {
        Arrays.sort(arr);
        System.out.println(Arrays.toString(arr));
    }
}

内存图剖析：

方法区：
- 类常量池：存储 Test 类元数据（main、sort 方法定义）。
- 静态常量池：无额外静态成员（Arrays 类的静态方法 sort 属于 Java 核心库，在 JVM 启动时加载）。
栈（线程栈）：
- main 栈帧：局部变量 arr 存储堆中数组的地址。
- sort 栈帧：参数 arr 与 main 中的 arr 指向同一堆数组。
堆：
- 数组对象：存储元素 5,7,100,2，排序后变为 2,5,7,100（数组在堆中，方法调用修改堆中数据，会影响所有引用）。

关键点：

数组是对象，存于堆中，引用类型变量存地址。
方法调用时，栈帧嵌套，引用类型参数传递的是地址（堆数据共享）。

四、深入理解内存机制

（一）引用类型与基本类型的区别

类型	存储位置（局部变量）	特点	示例
基本类型（`int`）	栈（直接存值）	变量直接持有值	`int a = 20;`
引用类型（`String`）	栈（存地址）	变量持有堆 / 常量池的地址	`String res = "demo";`