自动内存管理

《深入理解Java虚拟机》第三版

第二章 自动内存管理 —— 知识笔记

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一、JVM运行时数据区域划分

JVM在执行Java程序时，会将内存划分为若干个运行时数据区。根据《Java虚拟机规范》，主要分为以下 5 + 1 个区域：

区域	线程共享/私有	功能说明	是否可能 OOM
程序计数器	私有	记录当前线程执行的字节码行号（本地方法时为 undefined）	❌ 不会OOM
Java虚拟机栈	私有	存储栈帧（局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址）	✅ StackOverflowError / OutOfMemoryError
本地方法栈	私有	为 Native 方法服务（如 C/C++）	✅ 同上
Java堆（Heap）	共享	几乎所有对象实例和数组分配于此；GC 主战场	✅ OutOfMemoryError: Java heap space
方法区（Method Area）	共享	存储类元信息、常量、静态变量、JIT 编译代码	✅ JDK8+ 为 Metaspace OOM
直接内存（Direct Memory）	非JVM区域	通过 ByteBuffer.allocateDirect() 分配堆外内存	✅ 受 -XX:MaxDirectMemorySize 限制

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二、各区域详解

1. 程序计数器（Program Counter Register）

• 作用：线程切换后恢复执行位置。
• 特点：线程私有、无 GC、无 OOM。

2. Java 虚拟机栈

• 每个方法调用对应一个 栈帧（Frame） 入栈。
• 栈帧结构：
  • 局部变量表（Slot 存储基本类型、引用）
  • 操作数栈
  • 动态链接（指向运行时常量池）
  • 方法返回地址
• 异常：
  • StackOverflowError：递归过深
  • OutOfMemoryError：线程过多导致栈总内存超限
• 调优参数：-Xss1m（默认通常为 1MB）

3. 本地方法栈

• 与虚拟机栈类似，但服务于 Native 方法。
• HotSpot 中常与 Java 栈合并实现。

4. Java 堆（重点！）

• 分代设计：
  • 新生代（Young Gen）：Eden + Survivor0 + Survivor1（默认 8:1:1）
    • Minor GC 触发条件：Eden 区满
  • 老年代（Old Gen）
    • Major GC / Full GC 触发：老年代空间不足
• 对象分配策略：
  • 优先 Eden
  • 大对象直接进老年代（避免复制开销）
  • 动态年龄判定：Survivor 中相同年龄对象 > 50% → 晋升老年代
• OOM 场景：内存泄漏 or 堆太小
• 调优参数：

  -Xms4g -Xmx4g          # 固定堆大小
  -XX:NewRatio=2         # 老年代:新生代 = 2:1

5. 方法区（JDK8+ 为 Metaspace）

• 存储：类结构、字段/方法数据、静态变量、运行时常量池、JIT 代码
• 演进：
  • JDK7-：永久代（PermGen）→ 易 OOM
  • JDK8+：元空间（Metaspace）→ 使用本地内存
• OOM 原因：动态生成大量类（如 CGLib、Spring AOP）
• 调优参数：

  -XX:MetaspaceSize=256m
  -XX:MaxMetaspaceSize=512m  # 默认无上限

6. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

• 方法区的一部分
• 存放编译期生成的字面量（如 "hello"）和符号引用
• **JDK7+**：字符串常量池移至 堆中

7. 直接内存

• 非 JVM 管理，但常被使用（NIO）
• 通过 Unsafe.allocateMemory() 分配
• OOM：超过 -XX:MaxDirectMemorySize（默认等于 -Xmx）

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三、对象的创建过程（new 指令）

1. 类加载检查
   → 检查类是否已加载、解析、初始化（若未，则触发类加载）

2. 分配内存

   • 指针碰撞（Bump the Pointer）：堆规整（Serial、ParNew）
   • 空闲列表（Free List）：堆不规整（CMS）
   • 线程安全：TLAB（Thread Local Allocation Buffer）或 CAS + 重试

3. 初始化零值
   → 所有字段设为默认值（int=0, boolean=false 等）

4. 设置对象头

   • 对象所属类（Class 指针）
   • 哈希码（lazy compute）
   • GC 分代年龄
   • 锁状态（偏向锁、轻量级锁等）

5. 执行 <init> 构造方法
   → Java 层面的对象初始化完成

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四、对象的内存布局

组成	内容
对象头（Header）	Mark Word（哈希、GC年龄、锁标志）、Class 指针
实例数据（Instance Data）	用户定义的字段（按 JVM 字段重排序优化）
对齐填充（Padding）	补齐至 8 字节倍数（HotSpot 要求）

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五、对象的访问定位

JVM 通过 reference（引用）访问对象，有两种方式：

方式	描述	优缺点
句柄访问	reference → 句柄池 → [对象地址 + 类型信息]	优点：GC 移动对象只需改句柄；缺点：两次寻址
直接指针（主流）	reference → 对象地址（对象头含 Class 指针）	优点：速度快；缺点：GC 需更新所有引用

HotSpot 使用 直接指针。

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六、内存溢出（OOM）实战与排查

OOM 类型	原因	排查工具
Java heap space	对象太多 or 内存泄漏	MAT、JProfiler、jmap -dump
Metaspace	动态类加载过多	jstat -class、检查代理/反射
Unable to create new native thread	线程数超系统限制	jstack、ulimit -u
Direct buffer memory	NIO 直接内存超限	检查 ByteBuffer.allocateDirect() 使用

模拟堆 OOM 示例：

public class HeapOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new byte[1024 * 1024]); // 每次 1MB
        }
    }
}

启动参数：

-Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

→ 生成 java_pid.hprof，用 MAT 分析 GC Roots 引用链。

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七、高频面试题速记

1. 哪些区域线程私有？哪些共享？

   • 私有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
   • 共享：堆、方法区

2. StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 的区别？

   • SOF：栈深度超限（如无限递归）
   • OOM：无法申请新内存（堆、栈扩展失败、元空间满等）

3. 方法区在 JDK8 之后叫什么？
   → 元空间（Metaspace），使用本地内存

4. 对象一定分配在堆上吗？
   → 不一定！JVM 可能通过 逃逸分析 + 标量替换 将对象分配在栈上（栈上分配）

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八、本章核心总结

• 内存模型是理解 GC、性能调优、OOM 排查的基础
• 堆是 GC 主战场，方法区存储类元数据
• 对象生命周期 = 创建 → 使用 → 回收
• OOM 本质 = 内存不足 or 对象无法释放（泄漏）
• **调优关键：合理设置堆、元空间、栈大小，选择合适 GC 算法