Java 内存模型详解

Java 内存模型（Java Memory Model, JMM）是 Java 程序执行过程中内存管理的重要组成部分。它定义了 Java 程序中变量的访问规则和内存的分配方式。理解内存模型对于编写高效且安全的多线程程序至关重要。

1. 内存区域的分类

Java 内存可分为共享和不共享两种区域：

1.1 线程共享区域

• 堆：存放对象实例，几乎所有的对象和数组都在这里分配内存。
• 方法区：存储类信息、字段信息、方法信息、常量、静态变量等数据。JDK 7 之前称为永久代（PermGen），JDK 8 之后改为元空间（Metaspace）。
• 堆外内存：包括直接内存等。

1.2 线程不共享区域

• 程序计数器：记录当前线程的执行位置，类似于书签。程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域。
• 虚拟机栈：由栈帧组成，每个栈帧包含局部变量表、操作数栈、动态链接和方法返回地址。
• 本地方法栈：与虚拟机栈相似，但用于支持 Native 方法。

2. 内存区域详细解析

2.1 程序计数器

• 作用：控制程序的执行顺序，记录当前线程的执行位置。
• 特点：生命周期与线程相同，线程结束后计数器也随之消亡。

2.2 虚拟机栈

• 组成：
  • 局部变量表：存放基本数据类型和对象引用。
  • 操作数栈：存放方法执行过程中的中间结果。
  • 动态链接：将符号引用转换为直接引用，支持方法调用。
• 错误：
  • StackOverFlowError：栈深度超过最大深度。
  • OutOfMemoryError：动态扩展栈时无法申请到足够内存。

2.3 堆

• 作用：存放对象实例，是垃圾收集器管理的主要区域。
• 结构：
  • 新生代：存放新创建的对象。
  • 老生代：存放长时间存活的对象。
  • 元空间：替代永久代，使用本地内存。

2.4 方法区

• 内容：存储已加载类的信息、常量、静态变量等。
• 运行时常量池：存放编译期生成的字面量和符号引用，是方法区的一部分。

2.5 字符串常量池

• 目的：提高性能和减少内存消耗，避免字符串重复创建。
• 位置变更：JDK 8 将字符串常量池移到堆中，以提高 GC 效率。

3. Java 对象创建过程

创建 Java 对象的过程包括以下几个步骤：

3.1 类加载检查

检查常量池中是否存在类的符号引用，并确认该类是否已被加载。

3.2 分配内存

为新对象分配内存，分配方式有两种：

• 指针碰撞：适用于内存规整，通过指针移动分配内存。
• 空闲列表：适用于内存不规整，维护可用内存块列表。

3.3 初始化零值

新分配的内存空间会被初始化为零值，保证对象字段可直接使用。

3.4 init() 操作

调用对象的初始化方法，完成对象的创建。

4. 对象的内存布局

Java 对象的内存布局分为三部分：

• 对象头：包含标记字段和类型指针。
• 实例数据：存储对象的实际数据。
• 对齐填充：用于内存对齐，占位作用。

总结

Java 内存模型是理解 Java 程序如何在内存中运行的基础。通过掌握内存区域的分类、对象创建过程以及内存布局，可以更有效地进行内存管理和优化，提升程序的性能和稳定性。