Java 内存结构概览

当我们启动一个Java程序时，JVM会向操作系统申请一块连续的内存空间，JVM会将申请的内存空间按照功能划分为以下几个部分：

一，程序计数器

程序计数器（Program Counter）是每个线程独有的一小块内存，用来记录当前线程正在执行的字节码指令的位置，可以简单理解为“当前代码行的编号”。

因为Java是多线程的，每个线程在CPU上不是一直运行的，CPU需要在多线程间来回切换（就是线程间上下文切换）。当线程1被CPU切走后，再切回来，就需要知道上次执行到了哪一行代码，这时候就需要程序计数器了，确保线程可以恢复到正确的位置。

也因为此，程序计数器是线程私有的，每个线程独自维护一份。

程序计数器也是JVM中唯一不会发生OOM的内存区域，因为它非常小，结构也简单，只是记录一个位置。

二，元数据区

元数据区在1.8以前叫永久代，是JVM内部堆的一部分，但是有几个问题，容量固定，类卸载复杂，和堆共享GC配置，调优麻烦，所以从1.8开始，永久代被废除。

Metaspace：使用是本地内存，不再占用JVM的堆空间，默认情况下只受限于物理内存，但是也可以显示地设置它。

Metaspace用来存储类的结构信息（类名，方法，字段，继承结构等），常量池，类加载器等，其实Metaspace正常情况下都是安静的，它不像堆那样有对象不断创建和回收，一般情况下，程序启动时加载的类结构是固定的，对 Metaspace 的占用也基本确定。

只有在加载新的class或动态生成新的类（动态代理，字节码框架），才会新增Metaspace中的内容。如果加载或生成了大量类，导致元数据信息越积越多，也会导致元数据区撑爆。

触发的异常一般是：

java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

三，本地方法区

它是用于Java调用native方法（C/C++编写的）时使用，通常配合JNI技术。

对于大部分Java开发者来说不需要特别关注，在 HotSpot 虚拟机中，本地方法栈的实现与 JVM 栈类似，底层结构一致，通常合并管理。

四，栈

栈是线程私有的，每个线程启动都会分配一个独立的JVM栈，它的生命周期是跟随线程的，线程结束后栈也会销毁。

栈的核心结构是栈帧，每当线程执行一个方法，就会创建一个新的栈帧，压入栈顶，每个栈帧包含：

• 局部变量表（保存基本类型，对象引用等）
• 操作数栈（用于执行指令时的临时结果保存，比如执行 int sum = a + b 时，a、b 会被压入操作数栈中，计算结果再弹出。）
• 方法返回地址（记录当前方法执行完后应该返回的位置）
• 动态链接，指向常量池中方法或字段的引用，比如System.out.println，需要去运行时常量池查找System.out.println对应的真实地址去执行。

栈空间太小时，可能会出现以下两种异常

• StackOverflowError：方法递归太深，栈帧无限增长。
• OutOfMemoryError：线程数过多，每个线程都要分配栈。

栈内存不会参与GC，因为方法退出后，栈帧会自动销毁。

五，堆

堆是JVM中内存最大的一块，所有线程共享，也是GC主要管理的区域。

所有创建的对象实例和数组都会分配在堆内存。

为了提高垃圾回收效率，堆会进一步被划分为：

新生代：大部分新创建的对象都会在这里，生命周期短，回收频率高。

        新生代也会进一步划分为：Eden 区、Survivor0 区 和 Survivor1 区，默认比例为 8:1:1。

老年代：经过多次GC仍存活的对象被移入到这里，生命周期长，GC代码高。

JVM的主要GC算法就是围绕这两个区域来展开的。

一个对象的生命周期

当我们new一个对象时，

• 优先尝试栈上分配，JVM会做逃逸分析，判断这个对象是否逃逸出了当前方法作用域，如果对象生命周期明确，不会逃逸，JVM可能直接分配在栈帧里，随着方法结束被销毁，无需GC。
• 如果不能栈上分配，则会被分配到新生代的Eden区。

接下来，如果发生一次Minor GC：

• Eden 中仍存活的对象会被复制到 Survivor0 区；
• 之后如果再发生一次GC，将 Survivor0 区中仍存活的对象复制到Survivor1 区（死亡对象直接清除）；
• 并在这两个Survivor 区之间来回“拷贝”（复制算法），每次年龄 +1。

当对象的年龄增长到一定值（默认是15岁，可配置），就会晋升到老年代。除了正常的熬资历，还有一种提前晋升的情况：

如果Survivor区无法容纳所有需要复制的对象（存活对象太多），JVM会将部分年龄较大的对象直接晋升到老年代。

动态年龄判断

关于直接晋升的机制称为“动态年龄判断”，具体逻辑：

• JVM会遍历所有即将复制的对象，按年龄累加其内存大小
• 当Survivor区要拷贝的所有对象中，某个年龄及以上的对象所占总内存大小 > Survivor区容量的一半，这个年龄及以上的对象会一起晋升到老年代。

对象的晋升过程既有年龄判断，也考虑到了Survivor区的空间压力。