JVM内存模型详解

原创于 2025-12-15 09:00:00 发布 · 504 阅读

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JVM 内存模型详解（运行时数据区 + Java Memory Model）

在中文语境里，“JVM 内存模型”有两种常见指代：
1）JVM 运行时数据区（HotSpot 里的堆、栈、元空间等），偏“内存结构”；
2）Java Memory Model（JMM）（可见性/有序性/原子性规则），偏“并发语义”。
这份文档把两者都讲清楚，并给出排障与调优落地方法。

1. 一张图先建立整体视角

                ┌─────────────── 线程私有 ────────────────┐
Java 线程  ───▶  │  程序计数器 PC  │  虚拟机栈  │ 本地方法栈 │
                └────────────────────────────────────────┘
                              │
                              ▼
                ┌────────────── 线程共享 ───────────────┐
                │                 堆 Heap               │
                │   (新生代/老年代/对象分配/GC 等)       │
                └───────────────────────────────────────┘
                              │
                              ▼
                ┌────────────── 线程共享 ───────────────┐
                │    方法区 / 元空间 Metaspace          │
                │ (类元数据、常量池、方法字节码等)       │
                └───────────────────────────────────────┘

另外：直接内存 Direct Memory（NIO/堆外），不属于运行时数据区但非常重要。

2. JVM 运行时数据区（HotSpot 视角）

2.1 程序计数器（PC Register）——线程私有

作用：记录当前线程执行到哪一条字节码指令（解释器/即时编译器都需要）。
特点：
- 线程私有（每个线程一份），切换线程后能恢复到正确位置。
- 几乎是 JVM 中唯一不会 OOM 的区域。
注意：执行 Native 方法时，PC 的值是未定义（不指向字节码）。

2.2 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）——线程私有

组成单位：栈帧（Stack Frame），每次方法调用入栈，返回出栈。
栈帧主要包含：
- 局部变量表（Local Variables）
- 操作数栈（Operand Stack）
- 动态链接（指向运行时常量池中的符号引用解析结果）
- 方法返回地址等
常见问题：
- StackOverflowError：递归太深/栈帧过大导致栈空间耗尽。
- OutOfMemoryError: unable to create new native thread：线程太多或单个线程栈太大导致无法再创建线程（本质是 OS 资源/地址空间不足）。
调参：-Xss 控制每个线程栈大小
- 栈大：单线程递归更深、但线程数上限变低
- 栈小：线程数上限高、但更易 SOE

实战经验：线上“线程爆炸”时，盲目把 -Xss 调太大很容易把问题放大（因为每个线程占用更多内存）。

2.3 本地方法栈（Native Method Stack）——线程私有

作用：执行 JNI/Native 方法时使用的栈。
问题类型：同样可能 StackOverflowError 或 OOM（不同 JVM 实现表现略有差异）。

2.4 堆（Heap）——线程共享

堆是 GC 主要工作区域，也是对象的主要分配地。

2.4.1 分代结构（经典 HotSpot）

新生代 Young：Eden + S0 + S1（Survivor）
老年代 Old：存放存活时间长/体积大/晋升的对象
大对象/特殊对象：可能直接进入老年代（取决于收集器和配置）

JDK 21+（或不同 GC）分代实现细节有差异，但“短命对象多、长命对象少”的假设仍然成立。

2.4.2 对象分配的典型路径

绝大多数对象先分配在 Eden
Minor GC 后存活对象进入 Survivor，并增加“年龄”
年龄达到阈值或 Survivor 放不下 → 晋升到 Old
Old 不够 → Full GC / Mixed GC / 触发 OOM（取决于 GC）

2.4.3 TLAB（线程本地分配缓冲）

为了减少多线程在堆上分配对象时的锁竞争，JVM 给每个线程划一小块 TLAB。
大多数小对象在 TLAB 内“指针碰撞”即可分配，速度非常快。

2.5 方法区 / 元空间（Method Area / Metaspace）——线程共享

方法区是 JVM 规范概念；HotSpot 在 JDK 8 之后用 **元空间（Metaspace）**实现。
主要内容：
- 类元数据（Class Metadata）
- 运行时常量池（Runtime Constant Pool）
- 方法字节码、字段信息等
JDK 7/8 时代对比：
- JDK 7 及以前：HotSpot 有 永久代 PermGen（在堆里的一块区域），常见 OutOfMemoryError: PermGen space
- JDK 8+：移除 PermGen，改为 Metaspace（使用本地内存），常见 OutOfMemoryError: Metaspace
常见 OOM 场景：
- 动态生成大量类（CGLIB、Javassist、ByteBuddy、脚本引擎等）且类卸载条件不满足
调参：
- -XX:MaxMetaspaceSize（上限）
- -XX:MetaspaceSize（触发 GC 的阈值之一）