JVM内存模型

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JVM内存模型

核心理论

1.1 JVM内存区域划分

JVM内存分为线程私有区域和线程共享区域：

线程私有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
线程共享：堆、方法区（JDK 8后为元空间）
直接内存：不属于JVM运行时数据区，但被NIO使用

1.2 各内存区域详解

程序计数器：当前线程执行字节码的行号指示器，唯一不会OOM的区域
虚拟机栈：每个方法调用创建栈帧，存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口
本地方法栈：为Native方法服务，HotSpot将其与虚拟机栈合二为一
堆：对象实例分配的主要区域，GC的主要战场，可分为新生代（Eden、Survivor）和老年代
方法区：存储类元信息、常量池、静态变量等，JDK 8用元空间替代永久代，元空间使用本地内存
运行时常量池：方法区的一部分，存储编译期生成的字面量和符号引用

1.3 内存分配策略

对象优先在Eden区分配：大对象（如长字符串、数组）直接进入老年代
长期存活对象进入老年代：通过年龄计数器判断，默认15岁晋升
动态对象年龄判定：Survivor区中相同年龄对象总和超过一半，年龄大于等于该年龄的对象进入老年代
空间分配担保：Minor GC前检查老年代最大可用连续空间是否大于新生代对象总大小

代码实践

2.1 内存区域OOM异常演示

public class MemoryOOMDemo {
    // 堆内存溢出
    static class HeapObject {}
    public static void heapOOM() {
        List<HeapObject> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new HeapObject());
        }
    }

    // 虚拟机栈溢出
    private static int stackDepth = 0;
    public static void stackSOF() {
        try {
            stackDepth++;
            stackSOF();
        } catch (StackOverflowError e) {
            System.out.println("栈深度: " + stackDepth);
            throw e;
        }
    }

    // 方法区（元空间）溢出
    public static void metaspaceOOM() {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(HeapObject.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (obj, method, args1, proxy) -> proxy.invokeSuper(obj, args1));
            enhancer.create();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 分别运行以下方法观察不同OOM异常
        // heapOOM();      // -Xms20m -Xmx20m
        // stackSOF();     // -Xss128k
        // metaspaceOOM(); // -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
    }
}

2.2 对象内存布局分析

public class ObjectLayoutDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

        // 演示对象头Mark Word变化
        synchronized (obj) {
            System.out.println("加锁后对象布局:");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
        }
    }
}

依赖：需要引入jol-core依赖

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.16</version>
</dependency>

设计思想

3.1 内存分代回收思想

基于对象生命周期的不同，将堆分为新生代和老年代：

新生代：对象存活时间短，回收频繁，采用标记-复制算法
老年代：对象存活时间长，回收较少，采用标记-清除或标记-整理算法这种分代设计提高了垃圾回收效率，降低了内存碎片

3.2 栈帧结构设计

栈帧包含：

局部变量表：存储方法参数和局部变量
操作数栈：方法执行的工作区
动态链接：指向运行时常量池的方法引用
方法出口：方法正常或异常退出的位置栈帧的设计实现了方法的独立执行环境和高效调用

3.3 元空间替代永久代的设计考量

JDK 8用元空间替代永久代的原因：

永久代大小难以确定，容易OOM
元空间使用本地内存，受系统内存限制
便于HotSpot与JRockit合并，统一内存管理

避坑指南

4.1 堆内存参数设置

-Xms与-Xmx：建议设置为相同值，避免运行时动态调整堆大小
新生代与老年代比例：默认1:2，可通过-XX:NewRatio调整
Survivor区比例：默认Eden:S0:S1=8:1:1，可通过-XX:SurvivorRatio调整

4.2 大对象处理

避免创建过大对象（如几MB的数组），可分块处理
使用-XX:PretenureSizeThreshold参数控制大对象直接进入老年代
注意NIO直接内存使用，避免DirectMemoryOOM

4.3 元空间优化

JDK 8+通过-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize控制元空间大小
避免频繁创建和卸载类，如动态代理、反射等场景
监控元空间使用，防止内存泄漏

深度思考题

为什么Survivor区需要两个（From和To）？
对象在内存中的布局是怎样的？对象头包含哪些信息？
什么是TLAB（Thread Local Allocation Buffer）？它的作用是什么？

思考题回答：

Survivor区设计两个是为了实现复制算法，解决内存碎片问题。每次GC时，将Eden和From区存活对象复制到To区，清空Eden和From区，然后From和To区角色互换。这样保证总有一个Survivor区为空，避免内存碎片。
对象内存布局包括：对象头（Mark Word、Klass Pointer）、实例数据和对齐填充。对象头包含哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID等信息。
TLAB是线程本地分配缓冲区，是堆中线程私有的一小块区域。它的作用是避免多线程竞争，提高对象分配效率。线程优先在TLAB中分配对象，TLAB用完后才使用共享区域分配。