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深入解析 JVM 内存区域及核心概念

news 来源：原创 2025/7/21 22:35:53

深入解析 JVM 内存区域及核心概念

Java 虚拟机（JVM）内部划分了多个内存区域，每个区域存储不同类型的数据并承担不同的职责。本文将详细介绍以下内容：

  • 程序计数器：记录当前线程正在执行的字节码指令及其“行号”信息，附带字节码示例展示其“样子”。

  • JVM 栈：管理方法调用时产生的栈帧，包含局部变量、操作数栈等数据，代码示例展示递归调用导致栈溢出的情形。

  • 本地方法栈：支持 JNI 调用和本地方法执行，虽然一般不用直接操作，但了解其基本概念有助于理解底层实现。

  • Java 堆：所有对象实例存放的主要区域，由垃圾收集器管理。

  • 方法区与运行时常量池：存放类的结构信息、字面量常量、符号引用以及静态变量。我们将通过代码和 javap 命令生成的输出展示常量池的内容。

  • 直接内存：通过 NIO 分配的堆外内存，适用于高性能 I/O 操作。

下面我们逐一介绍各个部分，并给出直观的示例。

1. 程序计数器

1.1 理论说明

程序计数器是一块非常小的内存区域，主要功能是记录当前线程正在执行的字节码指令的地址，相当于程序中的“行号指示器”。它在以下方面起着关键作用：

  • 控制流程：在循环、分支、异常处理等场景下，指明下一条要执行的指令。

  • 线程隔离：每个线程都有独立的程序计数器，因此线程之间互不干扰。

  • 无需垃圾回收：由于体积极小，JVM 不会因程序计数器而抛出 OutOfMemoryError。

1.2 字节码示例

虽然在 Java 代码中无法直接观察程序计数器的变化，但我们可以通过查看编译后的字节码了解其作用。假设有如下简单方法：

public class BytecodeDemo {public void exampleMethod() {int a = 10;int b = 20;int c = a + b;System.out.println(c);}
}

使用 javap -c BytecodeDemo 后可能得到类似如下的字节码（部分输出）：

Compiled from "BytecodeDemo.java"
public class BytecodeDemo {public BytecodeDemo();Code:0: aload_01: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnpublic void exampleMethod();Code:0: bipush        10        // 将数字 10 压入操作数栈2: istore_1                // 存储到局部变量 13: bipush        20        // 将数字 20 压入操作数栈5: istore_2                // 存储到局部变量 26: iload_1                 // 将局部变量 1 加载到操作数栈7: iload_2                 // 将局部变量 2 加载到操作数栈8: iadd                    // 执行加法运算9: istore_3                // 将结果存储到局部变量 310: getstatic     #2        // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;13: iload_3                 // 将计算结果加载到操作数栈14: invokevirtual #3        // Method java/io/PrintStream.println:(I)V17: return
}

在这个字节码中，每个数字（如 0、1、2...）就是程序计数器对应的“地址”或指令索引。虽然我们平时无法直接操作，但这正是 JVM 调度字节码时依据的依据。

2. Java 虚拟机栈

2.1 概念解析

当 Java 程序调用方法时，JVM 为该方法分配一个“栈帧（Stack Frame）”。每个栈帧包含：

  • 局部变量表：存储方法参数和局部变量。变量的存储位置称为“槽”（Slot）。

  • 操作数栈：用于存放运算过程中的中间结果。

  • 动态链接信息：用于支持方法调用过程中的符号解析。

  • 返回地址：指明调用结束后应返回的指令位置。

2.2 代码示例：递归调用导致栈溢出

下面的代码展示了递归调用时不断分配栈帧的过程，最终可能导致 StackOverflowError。

public class JVMStackDemo {public static void recursiveCall(int depth) {System.out.println("递归深度：" + depth);recursiveCall(depth + 1);}public static void main(String[] args) {try {recursiveCall(1);} catch (StackOverflowError e) {System.err.println("错误：栈溢出，递归调用太深！");}}
}

每次递归调用都会在 JVM 栈中创建一个新的栈帧，当递归深度超过 JVM 所分配的栈内存时，就会抛出栈溢出错误。

3. 本地方法栈

3.1 概念解析

本地方法栈主要用于执行 JNI（Java Native Interface）调用和本地方法（如 C/C++ 代码）。其工作方式与 JVM 栈相似，不同点在于：

  • 服务对象：本地方法栈专门处理本地代码，而 JVM 栈用于执行 Java 字节码。

  • 实现自由：《Java 虚拟机规范》允许各个 JVM 自行实现本地方法栈，部分 JVM 可能将其与 JVM 栈合并。

了解这一部分有助于调试与 JNI 相关的问题，但一般情况下开发者无需直接干预。

4. Java 堆

4.1 概念解析

Java 堆是 JVM 内存中最大的区域，所有通过 new 关键字创建的对象都分配在堆中。堆内存由垃圾收集器管理，当对象不再被引用时，系统会自动回收这些内存。

4.2 代码示例：对象的分配与垃圾回收

public class HeapDemo {static class Person {String name;int age;Person(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}@Overrideprotected void finalize() throws Throwable {System.out.println("回收 Person 对象：" + name);super.finalize();}}public static void main(String[] args) {// 创建大量对象，促使垃圾回收器启动for (int i = 0; i < 100000; i++) {new Person("Person" + i, i);}// 请求垃圾回收（仅建议，实际执行由 JVM 决定）System.gc();System.out.println("对象创建完毕，请查看垃圾回收日志。");}
}

在此示例中，大量 Person 对象被创建并分配在堆中，当它们不再被引用时，垃圾回收器会回收相应内存。

5. 方法区与运行时常量池

5.1 概念解析

方法区存储了 JVM 加载的类信息，包括：

  • 类的结构信息：类的全限定名、父类、接口、字段、方法及修饰符等。

  • 常量：编译期间确定的字面量（如字符串、数字、布尔值）会存入运行时常量池中。

  • 静态变量：类变量在类加载时初始化，并在整个应用中共享。

运行时常量池是方法区的一部分，它保存了：

  • 字面量常量：例如 "HelloWorld"、数字 100 等。

  • 符号引用：在编译期间以符号形式存在，类加载时会解析成直接引用（例如类名、方法名、字段名）。

5.2 代码示例：类结构、常量与静态变量

package com.example;public class MyClass {// 实例字段private int instanceField;// 静态字段（类变量）public static String staticField = "静态变量示例";// 常量（在编译期间确定，并存入运行时常量池）public static final double PI = 3.14159;public MyClass(int instanceField) {this.instanceField = instanceField;}public void display() {System.out.println("实例字段：" + instanceField);}public static void printStatic() {System.out.println("静态字段：" + staticField);}
}

在这个示例中：

  • 类的结构信息：包括类名 com.example.MyClass、字段 instanceField、staticField 以及方法。

  • 常量：PI 作为 final 修饰的常量，其值在编译期确定，并存入运行时常量池中。

  • 静态变量：staticField 在类加载时分配，所有实例共享该变量。

5.3 运行时常量池的直观展示

你可以使用 javap -v MyClass 命令查看类的详细信息，其中会列出常量池的内容。部分输出示例如下：

Constant pool:#1 = Methodref          #7.#17         // java/lang/Object."<init>":()V#2 = String             "静态变量示例"#3 = Float              3.14159f#4 = Utf8               MyClass#5 = Utf8               instanceField...

这些条目显示了类中存在的各种字面量、符号引用等信息，是 JVM 在加载类时用来解析并建立直接引用的重要依据。

6. 直接内存

6.1 概念解析

直接内存并非 JVM 内部数据区的一部分，但常用于高性能 I/O 操作。它通过 NIO 类库直接从操作系统分配内存，可以减少数据在 Java 堆和本地内存之间的复制开销。

说明：

NIO 是 “New I/O” 的缩写，它是 Java 在 JDK 1.4 中引入的一套全新的 I/O API，相对于传统的基于流（Stream）的 I/O 模型，NIO 提供了以下几个显著的特点：

  • 缓冲区（Buffer）：NIO 采用缓冲区来处理数据，数据的读写都是通过缓冲区进行的，这样可以更高效地管理内存。

  • 通道（Channel）：与传统的 I/O 流不同，通道可以用于读写数据，它支持双向传输，可以同时进行读和写操作。

  • 选择器（Selector）：支持非阻塞 I/O，允许单个线程同时监控多个通道的状态，从而实现高效的 I/O 多路复用。

  • 内存映射文件（Memory-mapped File）：可以将文件直接映射到内存，进一步提高 I/O 性能。

6.2 代码示例：使用 NIO 分配直接内存

import java.nio.ByteBuffer;public class DirectMemoryDemo {public static void main(String[] args) {// 分配 1024 字节的直接内存ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);System.out.println("直接内存容量：" + directBuffer.capacity() + " 字节");// 向直接内存写入数据for (int i = 0; i < 10; i++) {directBuffer.put((byte) i);}// 翻转缓冲区以便读取directBuffer.flip();System.out.print("直接内存数据：");while (directBuffer.hasRemaining()) {System.out.print(directBuffer.get() + " ");}System.out.println();}
}

以上示例展示了如何分配并操作直接内存，从而避免频繁在 Java 堆和本地内存之间复制数据。

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编程日记 2025/7/20 6:19:17

浙大：DeepSeek技术溯源及前沿探索

浙江大学DS系列专题《DeepSeek技术溯源及前沿探索》由朱强教授主讲&#xff0c;内容主要包括 语言模型、Transformer、ChatGPT、DeepSeek及新一代智能体 等核心主题。 下载方式&#xff1a;关注“渡江客涂鸦板”&#xff0c;回复ds1253免费获取下载地址 语言模型&#xff1a;语…...

编程日记 2025/7/16 17:45:15

【八股】未知宽高元素水平垂直居中的三种方法

在笔试/面试中&#xff0c;经常出现的一个问题就是&#xff1a;如何实现元素水平垂直居中&#xff1f; 本文会直接使用代码&#xff0c;介绍未知宽高元素水平垂直居中的三种方法&#xff1a; 方法一&#xff1a;绝对定位absolute //绝对定位&#xff0c;将元素的左右位置设置…...

编程日记 2025/7/15 15:27:56

23种设计模式-中介者(Mediator)设计模式

中介者设计模式 &#x1f6a9;什么是中介者设计模式&#xff1f;&#x1f6a9;中介者设计模式的特点&#x1f6a9;中介者设计模式的结构&#x1f6a9;中介者设计模式的优缺点&#x1f6a9;中介者设计模式的Java实现&#x1f6a9;代码总结&#x1f6a9;总结 &#x1f6a9;什么是…...

编程日记 2025/7/17 15:16:36

（免费开源）图片去水印以及照片擦除功能，你会选择使用吗？

图片去水印以及相关人物擦除是一个非常小众的需求&#xff0c;就是将原本图片上的文字或者logo去除让变成一个干净的图片&#xff0c;但市面上很多都是付费的&#xff0c;今天就介绍一下这款免费工具。 工具演示效果 工具介绍 名称&#xff1a;lama-projct 利用AI模型训练LaM…...

编程日记 2025/7/15 1:19:40

Rust 学习笔记（一）

本文是博主学Rust的学习笔记&#xff0c;将学习经历整理下来&#xff0c;学习接收的内容更加条理且以便回顾。 参照学习资料为Rust官方文档&#xff0c;如内容中有误还请指点&#xff08;一般没有☺&#xff09; 一. 项目搭建 1.创建项目 cargo new hello_cargo cd hello_c…...

编程日记 2025/7/18 4:27:41

C++vector常用接口和模拟实现

C中的vector是一个可变容量的数组容器&#xff0c;它可以像数组一样使用[]进行数据的访问&#xff0c;但是又不像C语言数组空间是静态的&#xff0c;它的空间是动态可变的。 在日常中我们只需要了解常用的接口即可&#xff0c;不常用的接口查文档即可。 1.构造函数 //空构造…...

编程日记 2025/7/18 18:33:36

AI数据分析：一键生成数据分析报告

作为一名数据分析师&#xff0c;我们经常需要做一些数据分析报告&#xff0c;今天我就来手把手教你如何使用大模型一键生成高质量的数据分析报告&#xff0c;提高你的工作效率。 假设你是一家新零售企业的销售分析师&#xff0c;有一份销售数据&#xff0c;数据结构如数据结构…...

编程日记 2025/7/15 9:41:30

leetcode 2829. k-avoiding 数组的最小总和 中等

给你两个整数 n 和 k 。 对于一个由 不同 正整数组成的数组&#xff0c;如果其中不存在任何求和等于 k 的不同元素对&#xff0c;则称其为 k-avoiding 数组。 返回长度为 n 的 k-avoiding 数组的可能的最小总和。 示例 1&#xff1a; 输入&#xff1a;n 5, k 4 输出&…...

编程日记 2025/7/8 13:04:37