大家好，我是碼哥。

在 JVM 的世界中，運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域是整個(gè)虛擬機(jī)的基礎(chǔ)，它決定了程序的內(nèi)存管理、線程的執(zhí)行流以及垃圾回收的核心邏輯。

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域的劃分不僅體現(xiàn)了 JVM 的設(shè)計(jì)哲學(xué)，還在性能優(yōu)化中起著至關(guān)重要的作用。

本章我們將從 JVM 的內(nèi)存模型入手，逐步拆解堆與方法區(qū)的核心結(jié)構(gòu)及其角色，深入解析程序計(jì)數(shù)器與棧內(nèi)存的設(shè)計(jì)原理，讓你理解 JVM 的內(nèi)存管理機(jī)制并為調(diào)優(yōu)實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

JVM 內(nèi)存模型概述

Java 虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)存被分為若干功能區(qū)域，每個(gè)區(qū)域承擔(dān)特定的職責(zé)。

什么是 JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)？

Java 虛擬機(jī) (JVM) 可以分為三個(gè)主要的子系統(tǒng)，分別為 類加載器子系統(tǒng)、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū) 和 執(zhí)行引擎。

圖：小豆丁技術(shù)棧

當(dāng) 類加載子系統(tǒng) 完成了 加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析 和 初始化 等幾個(gè)階段后，執(zhí)行引擎便開始對這些初始化完成的類進(jìn)行使用。

圖：小豆丁技術(shù)棧

在操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程通常會被分配一個(gè)虛擬的內(nèi)存空間，進(jìn)程的操作都在這個(gè)內(nèi)存空間中進(jìn)行管理。而 Java 虛擬機(jī)作為一個(gè)進(jìn)程，也同樣會獲得操作系統(tǒng)分配的內(nèi)存空間。

這些區(qū)域既相互獨(dú)立又彼此關(guān)聯(lián)，共同支撐著 Java 程序的執(zhí)行。

運(yùn)行時(shí)內(nèi)存的劃分

JVM 的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域按照功能可以劃分為以下幾部分：

圖：小豆丁技術(shù)棧

線程私有區(qū)域 ：包括 程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧 和 本地方法棧，這些區(qū)域與線程生命周期綁定，每個(gè)線程獨(dú)立管理，不存在并發(fā)問題。

線程共享區(qū)域 ：包括 堆 和 方法區(qū)，多個(gè)線程共享這些區(qū)域，因此需要通過鎖或其他同步機(jī)制解決并發(fā)訪問沖突。

圖：小豆丁技術(shù)棧

可以將 JVM 的內(nèi)存模型類比為一座大廈：

• 線程私有區(qū)域 是每個(gè)居民的私人房間，只有主人可以進(jìn)入，互不干擾。
• 線程共享區(qū)域 是大廈的公共設(shè)施（如電梯、健身房），需要所有人協(xié)同使用，并且需要制定規(guī)則避免沖突。

敲黑板：在多線程程序中，線程私有區(qū)域（如虛擬機(jī)棧）避免了共享資源爭用，因此適合存儲局部變量和操作數(shù)；

線程共享區(qū)域（如堆）因需要存儲對象實(shí)例，成為垃圾回收的主要目標(biāo)。

理解這些區(qū)域的劃分，可以有效幫助我們定位內(nèi)存溢出或線程爭用的問題。

堆的結(jié)構(gòu)與分代模型

堆是 JVM 中最大的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲幾乎所有對象實(shí)例和數(shù)組。堆的設(shè)計(jì)直接影響 Java 程序的性能，尤其在垃圾回收（GC）時(shí)對堆內(nèi)存的操作至關(guān)重要。

堆的分代模型

JVM 中的堆被劃分為兩大代：

新生代（Young Generation）

• 存儲生命周期短的對象（大部分新建對象會存儲在新生代）。
• 新生代進(jìn)一步分為 Eden 區(qū) 和兩個(gè) Survivor 區(qū)（S0 和 S1）。
• GC 時(shí)，Eden 中存活的對象會被復(fù)制到 Survivor 區(qū)。

老年代（Old Generation）

• 存儲生命周期較長的對象，例如緩存、連接池等。

• 經(jīng)過多次新生代 GC 后未被回收的對象會晉升到老年代。

堆內(nèi)存的分代結(jié)構(gòu)

堆的設(shè)計(jì)哲學(xué)

• 優(yōu)化垃圾回收：分代模型使得垃圾回收器可以針對不同代使用不同算法。例如，新生代使用復(fù)制算法（Copying GC），而老年代使用標(biāo)記-清理（Mark-Sweep）或標(biāo)記-整理（Mark-Compact）算法。
• 分離對象生命周期：通過分代管理對象生命周期，提高內(nèi)存分配效率。

敲黑板：在 GC 日志中，頻繁的 Minor GC（新生代垃圾回收）可能提示對象創(chuàng)建過于頻繁，而 Full GC（老年代垃圾回收）的延遲通常反映老年代空間不足。通過調(diào)優(yōu)堆內(nèi)存的分配，可以改善程序性能。

方法區(qū)：元數(shù)據(jù)與常量的存儲

方法區(qū)(Method Area) 和 堆 類似，是在 JVM 啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建的，也是 JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中的一塊線程共享的內(nèi)存區(qū)域。方法區(qū)的內(nèi)存空間在邏輯上連續(xù)，但物理上不一定連續(xù)，主要用于存儲一些 類信息、方法信息、域信息、JIT代碼緩存、運(yùn)行時(shí)常量池：

• 類元數(shù)據(jù)：包括類名、字段描述、方法描述、訪問權(quán)限等。
• 運(yùn)行時(shí)常量池：存儲字面量（如字符串常量）和符號引用（如方法引用）。
• 靜態(tài)變量：存儲類的 static 字段，這些字段生命周期與類一致。
• 即時(shí)編譯后的代碼：如 JIT 編譯器生成的優(yōu)化代碼。

JDK 8 的方法區(qū)變遷

• 在 JDK 8 之前，方法區(qū)使用堆中的永久代（PermGen）實(shí)現(xiàn)。
• 從 JDK 8 開始，永久代被移除，方法區(qū)由本地內(nèi)存中的 元空間（Metaspace） 取代，解決了永久代的容量限制問題。

實(shí)踐場景

如果程序運(yùn)行時(shí)加載了過多的類，可能會導(dǎo)致元空間內(nèi)存不足，從而觸發(fā) OutOfMemoryError: Metaspace。

在這種情況下，可以通過調(diào)整 -XX:MaxMetaspaceSize 參數(shù)來限制元空間的大小。

程序計(jì)數(shù)器與棧內(nèi)存詳解

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter）

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter）是 JVM 中最小的內(nèi)存區(qū)域，用于記錄當(dāng)前線程正在執(zhí)行的字節(jié)碼指令地址。

• 是 線程私有 的，每個(gè)線程有獨(dú)立的計(jì)數(shù)器。
• 如果當(dāng)前方法是 Native 方法，程序計(jì)數(shù)器值為未定義。

程序計(jì)數(shù)器就像一本書的書簽，記錄了當(dāng)前線程執(zhí)行到哪一頁，當(dāng)線程被切換時(shí)可以恢復(fù)閱讀位置。

Java 虛擬機(jī)棧

JVM 棧是線程執(zhí)行方法調(diào)用的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保存了方法的局部變量、操作數(shù)棧和返回地址等信息。每個(gè)方法對應(yīng)一個(gè) 棧幀（Stack Frame），棧幀以 后進(jìn)先出（LIFO） 的順序管理。

局部變量表

• 保存基本數(shù)據(jù)類型（如 int、long）和對象引用。
• 編譯期分配固定大小，運(yùn)行時(shí)不允許動(dòng)態(tài)調(diào)整。

操作數(shù)棧

• 用于字節(jié)碼指令的臨時(shí)操作數(shù)存儲。

• 典型操作：iadd 從操作數(shù)棧取兩個(gè)值，計(jì)算和并存回棧中。

動(dòng)態(tài)鏈接

• 用于方法調(diào)用時(shí)解析符號引用到實(shí)際內(nèi)存地址。

返回地址

• 方法執(zhí)行完畢后，返回上層調(diào)用方法的位置。

敲黑板：如果遞歸調(diào)用深度過高或方法嵌套調(diào)用過多，可能會導(dǎo)致虛擬機(jī)棧溢出，觸發(fā) StackOverflowError。調(diào)整 -Xss 參數(shù)可增大棧大小。

最后

通過本章的解析，我們對 JVM 的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域有了系統(tǒng)性的理解，包括各區(qū)域的職責(zé)分工、具體實(shí)現(xiàn)和實(shí)踐場景。

理解這些區(qū)域的運(yùn)行邏輯是學(xué)習(xí) JVM 垃圾回收機(jī)制與性能調(diào)優(yōu)的基礎(chǔ)。

在下一章中，我們將深入探討對象的生命周期與內(nèi)存分配策略，為垃圾回收優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。