1. JVM 内存区域学习笔记

1.1. JVM 内存区域

JVM将内存划分为不同区域主要是为了高效管理、安全隔离和性能优化，这种设计是经过长期实践验证的架构选择。以下是内存区域划分的核心原因：

职责分离原则
- 不同数据有不同的生命周期和使用方式（如类信息与对象实例）
- 分离存储便于针对性管理（如GC策略不同）
性能优化
- 热点数据单独存放（如栈上的局部变量快速访问）
- 减少内存碎片（堆与栈使用不同分配策略）
安全隔离
- 防止用户代码直接操作方法区等关键区域
- 线程私有数据避免并发问题（如程序计数器）

JVM（Java虚拟机）内存区域是Java程序运行时数据存储的关键部分，了解这些区域对于性能调优和故障排查至关重要。JVM内存主要分为以下几个区域（方法区、程序计数器、Java虚拟机栈、Java堆内存）：

1.1.1. 方法区（Method Area）

该区域主要存放从“.class”文件里加载进来的类。（包括一些常量池等数据）

总结

线程共享：存储已被虚拟机加载的类型信息
内容：
- 类型信息（类名、访问修饰符等）
- 常量池（Runtime Constant Pool）
- 字段描述
- 方法描述
- 方法字节码
- 类静态变量
实现变化：
- JDK 7及之前：永久代（PermGen）
- JDK 8+：元空间（Metaspace，使用本地内存）
异常：OutOfMemoryError

1.1.2. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

总结

位置：方法区的一部分
内容：
- 类文件常量池的运行时表示
- 符号引用（Symbolic References）
- 字面量（Literals）
特点：
- 动态性：运行时可以将新的常量放入池中
- 如String.intern()方法

1.1.3. 程序计数器（Program Counter Register）

计算机不能直接识别代码，如果想让计算机执行代码逻辑，先要把代码转换成字节码（.java -> .class）。

.class文件中就是编译出来的字节码，文件内容就是一条条机器指令（eg：从内存读取某个数据，或者把某数据写到内存等，各种各样指令的集合）。

我们写好的Java代码会被翻译成字节码，对应各种字节码指令。JVM加载类信息到内存之后，会使用字节码执行引擎，去执行我们写的代码编译出来的代码指令。

在执行字节码指令的时候，JVM里就需要一个特殊的内存区域了，那就是“程序计数器”。

程序计数器就是用来记录当前执行的字节码指令的位置的，也就是记录目前执行到了哪一条字节码指令（每个线程都有自己的程序计数器）。

总结

线程私有：每个线程都有独立的程序计数器
作用：记录当前线程执行的字节码指令地址
特点：
- 执行Java方法时记录虚拟机字节码指令地址
- 执行Native方法时值为空（Undefined）
- 唯一不会出现OutOfMemoryError的内存区域

1.1.4. Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

Java代码在执行的时候，一定是线程来执行某个方法中的代码。在方法里，我们经常会定义一些方法内的局部变量。

因此，JVM必须有一块区域是来保存每个方法内的局部变量等数据，这个区域就是Java虚拟机栈。（每个线程都有自己的Java虚拟机栈）

如果线程执行了一个方法，就会对这个方法调用创建对应的一个栈帧。栈帧里就有这个方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等。

使用下列代码和画图，方便理解记忆：

1. 执行main()方法

public class Kafka {
    public static void main(String[] args) {
        ReplicaManager replicaManager = new ReplicaManager();
        replicaManager.loadReplicasFromDisk();
    }
}

在执行上面代码的时候，就会通过main线程对应的程序计数器记录自己执行的指令位置。该线程会有自己的 Java 虚拟机栈，用来保存执行的方法及对应的局部变量replicaManager。

2. 当main()方法继续执行ReplicaManager对象里面的方法时

public class ReplicaManager {
    public void loadReplicasFromDisk() {
        Boolean hasFinishesLoad = false;
        if (isLocalDataCorrupt()) {
            System.out.println("执行指定逻辑。。。");
        }
    }

    public boolean isLocalDataCorrupt() {
        boolean isCorrupt = false;
        return isCorrupt;
    }
}

当执行到loadReplicasFromDisk()方法时，会把该方法及对应局部变量等，压入虚拟机栈中。

继续执行代码，发现又调用了isLocalDataCorrupt()方法，还是继续上述操作，将该方法及局部变量等压入虚拟机栈中。

3. 方法执行完后的操作

当isLocalDataCorrupt()方法执行完毕后，会将isLocalDataCorrupt()方法对应的栈帧从 Java 虚拟机栈中出栈。

继续执行loadReplicasFromDisk()方法，该方法执行完毕，将该方法的栈帧出栈。按此步骤直到所有方法都执行完毕。

总结

线程私有：生命周期与线程相同
作用：存储方法调用的栈帧（Stack Frame）
组成：
- 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
- 方法返回地址：方法执行完毕后的返回位置
异常：
- StackOverflowError：线程请求的栈深度超过限制
- OutOfMemoryError：无法申请到足够内存扩展栈

1.1.5. 本地方法栈（Native Method Stack）

总结

线程私有：与虚拟机栈类似
作用：为Native方法服务
特点：
- HotSpot虚拟机中与虚拟机栈合二为一
- 同样会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError

1.1.6. Java堆（Java Heap）

新创建对象的数据存储区域Java堆内存。堆内存的数据，线程之间都可以共享访问的。

public class Kafka {
    public static void main(String[] args) {
        ReplicaManager replicaManager = new ReplicaManager();
        replicaManager.loadReplicasFromDisk();
    }
}

public class ReplicaManager {
    private long replicaNum;

    public void loadReplicasFromDisk() {
        Boolean hasFinishesLoad = false;
        if (isLocalDataCorrupt()) {
            System.out.println("执行指定逻辑。。。");
        }
    }

    public boolean isLocalDataCorrupt() {
        boolean isCorrupt = false;
        return isCorrupt;
    }
}

上述代码main()方法中new ReplicaManager()会创建一个新的对象实例（包含一些数据，例如replicaNum等）。该对象实例数据会放在 Java堆内存中。

Java虚拟机栈的局部变量replicaManager是引用类型，存放ReplicaManager对象的堆内存地址。（相当于局部变量表replicaManager指向堆内存的ReplicaManager对象）

总结

线程共享：所有线程共享的内存区域
作用：存储对象实例和数组
特点：
- 虚拟机启动时创建
- 垃圾收集器管理的主要区域（GC堆）
- 可以处于物理上不连续的内存空间
分代设计（大多数JVM实现）：
- 新生代（Young Generation）：
  - Eden区
  - Survivor区（From/To）
- 老年代（Old Generation/Tenured）
- 永久代/元空间（JDK 8+改为元空间）
异常：OutOfMemoryError

1.1.7. 直接内存（Direct Memory）

总结

非JVM规范定义：但被广泛使用
特点：
- 不是JVM运行时数据区的一部分
- 通过Native函数库直接分配堆外内存
- 常见于NIO的DirectByteBuffer
优势：
- 减少Java堆和Native堆间的数据复制
- 提高IO性能
异常：OutOfMemoryError

1.1.8. 内存区域对比表

区域名称	线程共享性	是否GC	异常类型	作用
程序计数器	线程私有	否	无	指令地址
虚拟机栈	线程私有	否	SOE/OOME	Java方法调用
本地方法栈	线程私有	否	SOE/OOME	Native方法调用
Java堆	线程共享	是	OOME	对象实例存储
方法区	线程共享	是	OOME	类信息、常量池等
运行时常量池	线程共享	是	OOME	类文件常量池的运行时表示
直接内存	-	-	OOME	堆外内存

1.2. JVM 核心内存区域全流程图

public class Kafka {
    public static void main(String[] args) {
        ReplicaManager replicaManager = new ReplicaManager();
        replicaManager.loadReplicasFromDisk();
    }
}

public class ReplicaManager {
    private long replicaNum;

    public void loadReplicasFromDisk() {
        Boolean hasFinishesLoad = false;
        if (isLocalDataCorrupt()) {
            System.out.println("执行指定逻辑。。。");
        }
    }

    public boolean isLocalDataCorrupt() {
        boolean isCorrupt = false;
        return isCorrupt;
    }
}

上面代码执行时整体流程如下（附图）：

启动 JVM 进程，会把相关类加载到方法区内存。然后会有 main 线程来执行main()方法。
main 线程关联了一个程序计数器（如果有多个线程执行这段代码，每个线程有自己的程序计数器）。线程执行代码到某个位置，程序计数器都会记录。
在 main 线程执行程序的时候，会有自己的 Java 虚拟机栈，用来存储正在执行的方法及局部变量。
其中方法中如果有对象类型，局部变量存的是对象的地址，地址为 Java 堆内存位置（放置的是对象实例）。
当方法执行完后会从 Java 虚拟机栈中出栈，程序计数器会继续向下执行，直到所有方法执行完，整段代码结束。

1.3. 常见内存问题

堆内存溢出（OOM）：
- java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
- 原因：对象太多或太大，无法被GC回收
- 解决：调整-Xmx/-Xms参数，分析内存泄漏
栈溢出（SOE）：
- 现象：java.lang.StackOverflowError
- 原因：递归调用过深或栈帧过大
- 解决：调整-Xss参数，优化递归算法
元空间溢出：
- 现象：java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
- 原因：加载类过多（如动态生成类）
- 解决：调整-XX:MetaspaceSize/-XX:MaxMetaspaceSize
直接内存溢出：
- 现象：java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
- 原因：分配过多堆外内存
- 解决：调整-XX:MaxDirectMemorySize

1.4. JVM内存参数调优

理解JVM内存区域是Java性能调优的基础，合理配置内存参数可以显著提高应用性能和稳定性。

常用参数示例：

java -Xms512m -Xmx1024m -Xss256k -XX:MetaspaceSize=128m -XX:MaxMetaspaceSize=256m ...

-Xms：初始堆大小
-Xmx：最大堆大小
-Xss：线程栈大小
-XX:MetaspaceSize：元空间初始大小
-XX:MaxMetaspaceSize：元空间最大大小

JVM 内存区域

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1.1. JVM 内存区域

1.1.1. 方法区（Method Area）

总结

1.1.2. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

总结

1.1.3. 程序计数器（Program Counter Register）

总结

1.1.4. Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

使用下列代码和画图，方便理解记忆：

总结

1.1.5. 本地方法栈（Native Method Stack）

总结

1.1.6. Java堆（Java Heap）

总结

1.1.7. 直接内存（Direct Memory）

总结

1.1.8. 内存区域对比表

1.2. JVM 核心内存区域全流程图

1.3. 常见内存问题

1.4. JVM内存参数调优

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1.1.1. 方法区（Method Area）

总结

1.1.2. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

总结

1.1.3. 程序计数器（Program Counter Register）

总结

1.1.4. Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

使用下列代码和画图，方便理解记忆：

总结

1.1.5. 本地方法栈（Native Method Stack）

总结

1.1.6. Java堆（Java Heap）

总结

1.1.7. 直接内存（Direct Memory）

总结

1.1.8. 内存区域对比表

1.2. JVM 核心内存区域全流程图

1.3. 常见内存问题

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