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Java学习第七十七部分——JVM运行时数据区

java 2025/7/27 10:09:54

一、前言提要概述

二、核心组件概览

三、详细组件说明

四、内存区域关系图

五、堆内存详细结构——分代模型

五、异常情况示例

六、总结分析

一、前言提要概述

Java 虚拟机（JVM）在运行 Java 程序时，会将内存划分为多个逻辑区域，每个区域有特定的职责。

二、核心组件概览

JVM 运行时数据区主要分为线程私有区和线程共享区。

区域类型	组成部分	线程安全	异常类型	作用描述
线程私有区	程序计数器（PC）	线程私有	无	记录当前线程执行的字节码位置
	虚拟机栈（JVM Stack）	线程私有	`StackOverflowError` `OutOfMemoryError`	存储方法调用的栈帧
	本地方法栈（Native Stack）	线程私有	`StackOverflowError` `OutOfMemoryError`	支持 Native 方法调用
线程共享区	堆（Heap）	线程共享	`OutOfMemoryError`	存储所有对象实例和数组
	方法区（Method Area）	线程共享	`OutOfMemoryError`	存储类信息、常量池、静态变量等
	运行时常量池（Runtime Constant Pool）	线程共享	`OutOfMemoryError`	存储字面量和符号引用

三、详细组件说明

1. 程序计数器（Program Counter Register）
- **作用**：记录当前线程正在执行的字节码指令地址（分支、循环、跳转等）。
- **特性**：
- 唯一不会发生 `OutOfMemoryError` 的区域。
- 线程私有（每个线程独立存储执行位置）。
- **示例**：若线程执行 `add` 指令，PC 指向该指令的内存地址。

2. 虚拟机栈（JVM Stack）
- **作用**：存储方法调用的栈帧（Stack Frame），每个方法对应一个栈帧。
- **栈帧结构**：
- **局部变量表**：存放方法参数和局部变量（基本类型、对象引用）。
- **操作数栈**：执行字节码指令的工作区（如加减乘除）。
- **动态链接**：指向运行时常量池的方法引用。
- **返回地址**：方法退出后恢复执行的地址。
- **异常**：
- `StackOverflowError`：栈深度超过限制（如无限递归）。
- `OutOfMemoryError`：栈扩展失败（如线程过多）。

3. 本地方法栈（Native Method Stack）
- **作用**：支持 Native 方法（如 C/C++ 实现）的调用。
- **特性**：与虚拟机栈类似，但服务于 JNI（Java Native Interface）。
- **异常**：同虚拟机栈（`StackOverflowError`/`OutOfMemoryError`）。

4. 堆（Heap）
- **作用**：存储所有对象实例和数组（`new` 关键字创建的对象）。
- **内存管理**：
- 由垃圾回收器（GC）自动管理。
- 分为 **新生代**（Young）和 **老年代**（Old）：
- **新生代**：Eden + Survivor（S0, S1），新对象在此分配。
- **老年代**：长期存活的对象（经过多次 GC 后存活）。
- **异常**：`OutOfMemoryError`（堆空间不足）。

5. 方法区（Method Area）
- **作用**：存储类元数据（类名、方法、字段）、运行时常量池、静态变量、JIT 编译后的代码。
- **实现演变**：
- **JDK 1.7 前**：永久代（PermGen），位于堆中。
- **JDK 1.8+**：元空间（Metaspace），使用本地内存（不再受 JVM 堆限制）。
- **异常**：`OutOfMemoryError`（元空间耗尽）。

6. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）
- **作用**：存储类文件中的常量池表（字面量、符号引用）。
- **特性**：
- 支持动态性（如 `String.intern()` 动态添加常量）。
- 是方法区的一部分。

四、内存区域关系图

五、堆内存详细结构——分代模型

对象分配流程：
1. 新对象分配在Eden区。
2. Eden 满时触发Minor GC：
- 存活对象复制到Survivor（S0/S1）。
- 年龄计数器 +1（每熬过一次 GC）。
3. 年龄达到阈值（默认 15）的对象进入老年代。
4. 老年代满时触发Full GC（速度慢，影响性能）。

五、异常情况示例

1. `StackOverflowError`

   void infiniteRecursion() {infiniteRecursion(); // 无限递归，耗尽虚拟机栈}

2. `OutOfMemoryError`
- **堆溢出**：创建大量对象（如 `new byte[1024 * 1024]`）。
- **元空间溢出**：动态生成大量类（如 CGLib 代理）。

六、总结分析

区域	存储内容	生命周期	垃圾回收
程序计数器	字节码指令地址	线程生命周期	❌
虚拟机栈	栈帧（局部变量/操作数）	方法调用周期	❌
堆	对象实例、数组	对象存活周期	✅
方法区	类元数据、常量池	JVM 运行周期	✅（卸载类）