深入浅出JVM内存结构：从面试高频考点到内存泄漏全解析-优快云博客

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🌈 引言：JVM(Java Virtual machine) 是执行Java程序的环境，将Java字节码转换为机器码，以便在计算机上运行，就像你的Java程序管家

跨平台管家：Java代码无需关心操作系统差异，JVM自动搞定环境适配，代码一次编写，到处运行
- 内存清洁工：自动垃圾回收机制，程序员无需手动管理内存
安全卫士：自动检查数组越界等危险操作
多态翻译官：支持面向对象特性，让代码更灵活

常见的JVM
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调优参数设置注意：

+代表使用这种规则，-代表不使用/关闭。

JVM内存结构
JVM内存结构全景图
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JVM内存结构主要包括以下几部分：

1. 程序计数器：书签式导航

Program Counter Register，也叫寄存器
作用：记住下一条jvm指令的执行地址(就像读书时用的书签)
JAVA程序：JVM指令—>解释器(翻译)—>机器码—>CPU 执行指令
C/C++程序：直接编译成指定系统的机器码，针对不同的目标操作系统一般需要重新编译
所以，c/c++更适合系统级编程和需要直接访问底层硬件资源的任务，而Java更适合跨平台应用程序开发和具有良好可维护性的应用程序。
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特点：

📍 线程私有(每个线程有自己独有的程序计数器)
💾不会存在内存溢出(内存占用极小)

2. 虚拟机栈：方法执行的流水线

虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)，每个线程运行时需要的内存空间
栈帧(Frame)：每个方法运行时需要的内存(包含参数，局部变量，返回地址信息)
活动栈帧：对应着栈当前正在执行的那个方法
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关系：每个栈由多个栈帧组成，对应着每次方法调用时所占用的内存；每个线程只能有一个活动栈帧

经典三问❓：
1.栈需要垃圾回收吗?
：不需要，方法调用完毕后栈帧会自动出栈(就像吃完外卖自动收餐盒)
2.栈内存分配越大越好吗?
：错！默认-Xss1M(一般用默认)，设太大会减少线程数量（就像会议室太大反而座位少）
3.方法内的局部变量是否线程安全?
：如果没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的；如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全。如作为形参传递、作为返回值返回给调用者，这些情况下变量可能会被其他线程修改。(好比办公室文件不外带就安全)

2.2 常见问题：栈内存溢出

java.lang.StackOverflowError

栈帧过多导致内存溢出(如无限递归、类之间循环引用)
栈帧过大导致内存溢出(不常见)

2.3 线程运行诊断

案例1：cpu占用较多
定位(linux系统) 进程—>线程–>问题代码
1.用 top 定位哪个进程对cpu的占用高
2.ps H -eo pid, tid, %cpu | grep 进程id (用ps命令进一步定位是哪个线程引起的cpu占用过高)
3. jstack 线程id(可根据线程id找到有问题的线程，进一步定位到问题代码的源码行号)

案例二：程序运行久久等不到结果(可能是线程死锁)
定位(linux系统)：根据 jstack 进程id 定位到问题线程

3. 本地方法栈：跨语言桥梁

java无法实现的跟操作系统直接打交道（Java为了实现跨平台性和安全性，对底层资源的访问做了安全限制）
native method，本地方法用关键字native修饰，Native 方法专用(c/c++底层实现的方法)
常见方法：Object的clone()方法、wait()方法、notify()方法、hashCode()方法
作用：实现Java无法直接操作的功能(如硬件访问)

**开发趣闻🗺️ **：Java早期通过本地方法实现线程管理，直到后来才用纯Java实现

4. 堆：对象的大本营

堆 Heap：通过new关键字，创建的对象和数组都会使用堆内存
特点：

🌐线程共享(堆中对象都需要考虑线程安全的问题)
🗑️有垃圾回收机制(GC回收的主要区域)

4.2 堆内存溢出

java.lang.OutOfMemoryError：Java heap space

堆空间参数：-Xmx8M(VM options里配置为8M，默认为4G)
OutOfMemoryError案例：电商系统订单对象未及时回收，导致堆内存溢出

4.3 堆内存诊断

命令行 Terminal 窗口输命令
1.jps工具：查看当前系统中有哪些java进程
在这里插入图片描述 2.jmap工具( jmap -heap 进程id)：查看堆内存占用情况
3.jconsole工具：图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测(选择当前进程–>不安全的连接)

案例：垃圾回收后，内存占用依然很高
jvisualvm工具(命令行Terminal窗口输命令)：可视化方式展现虚拟机内容，堆 dump[堆转储] 抓取当前堆的内存快照(包含哪些对象，对象内存占用情况等信息)
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5. 方法区：类的档案馆

方法区只是一个规范，1.8之前叫永久代，1.8之后叫元空间；
所有Java线程共享，存储相关类信息：包括成员方法、构造器等。

版本变迁

JDK版本	实现方式	参数设置
≤1.7	永久代	-XX:MaxPermSize
≥1.8	元空间	-XX:MaxMetaspaceSize

5.2 组成

JDK1.7/1.8区别：StringTable串池 from 方法区 to 堆

类加载器ClassLoader类(可以用来加载类的二进制字节码)
ClassWriter 作用是生成类的二进制字节码

5.3 方法区内存溢出

1.8 以前会导致永久代内存溢出

演示永久代内存溢出 -XX:MaxPermSize=8m
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

1.8之后会导致元空间内存溢出

演示元空间内存溢出  -XX:MaxMetaspaceSize=8m
java.lang.outOfMemoryError: Metaspace

场景：spring、mybatis 等使用不当，会使用cglib动态加载类

5.4 运行时常量池

二进制字节码：包括类基本信息、常量池、类方法定义，包含虚拟机指令。
终端执行 javap -v xx.class 显示class文件反编译之后的详细信息
常量池：就是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息。
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运行时常量池：常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址转变为真实地址。
StringTable[] : 串池，hashTable结构，不能扩容

5.5 StringTable串池

常量池的字符串仅是符号，第一次用到时才变为对象
利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象
字符串变量拼接的原理是(StringBuilder) JDK1.8
字符串常量拼接的原理是编译器优化
可以使用**intern()**方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池
1.8 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则不会放入，如果没有则放入串池。最后会把串池中的对象返回(当前对象指向为串池中的对象)
1.6 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则不会放入，如果没有则会把此对象复制一份放入串池，会把串池中的对象返回

5.6 StringTable位置：

永久代的常量池(1.6)—>堆空间(1.8)
位置调整原因：永久代回收效率低，fullgc才触发(要等老年代回收才回收)，而串池在程序中占用内存多，容易发生内存不足

5.7 StringTable在内存不足时会触发垃圾回收

-XX:+UseGcOverheadLimit(默认使用)    花了98%时间进行垃圾回收，只释放了2%的堆内存，会放弃回收
-XX:+PrintStringTableStatistics  打印串池字符串实例信息
-XX:+PrintGCDetails 
-verbose:gc   打印垃圾回收详细信息

8 StringTable性能调优

调整 -XX:StringTableSize=桶个数(桶个数越大，哈希碰撞概率越小，花费时间越少)，默认60013。若系统中使用大量字符串，可以适当增加桶个数
考虑将字符串对象是否入池(存在大量字符串且有不少重复串，可考虑入池，减少重复字符串的反复存储)

6. 直接内存：高速公路旁的道

Direct Memory，常见于 NIO（Non-blocking IO）操作，用于数据缓冲区
特点：

分配回收成本较高，但读写性能高🚀
不受JVM内存回收管理 (操作系统内存)，但也会发生内存溢出⚠️

6.1 直接内存-基本使用

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6.2 直接内存-内存溢出

java.lang.outOfMemoryError: Direct buffer memory

-XX:+DisableExplicitGC 禁用显式垃圾回收，如System.gc()，写了会失效。该块内存只有在full gc时才会进行垃圾回收

6.3 分配和回收原理

使用了Unsafe对象完成直接内存的分配回收，并且回收需要主动调用 freeMemory 方法
ByteBuffer的实现类内部，使用了Cleaner(虚引用)来监测ByteBuffer对象，一旦ByteBuffer对象被垃圾回收，那么就会由ReferenceHandler线程通过Cleaner的clean方法调用freeMemory来释放直接内存

📊 内存结构对比总结表

内存区域	存储内容	线程关系	溢出风险	调优参数
程序计数器	指令地址	私有	❌	无
虚拟机栈	栈帧	私有	StackOverflow	-Xss
堆	对象实例	共享	OOM	-Xms/-Xmx
方法区	类元信息	共享	OOM(Metaspace)	-XX:MaxMetaspaceSize
直接内存	NIO缓冲区	共享	Direct OOM -	-XX:MaxDirectMemorySize