一、运行时数据区总体结构
JVM 在运行时将内存划分为若干区域，统称为运行时数据区。其中，堆、线程栈与元空间是三个核心组成部分，分别承担对象实例、执行上下文和类元数据的存储与管理职责。
这三者的划分基于对数据生命周期、访问模式与管理成本的综合权衡，体现了分治与职责分离的设计思想。
二、堆
堆是 JVM 中最大的运行时数据区，被所有线程共享，用于存储对象实例。数组、字符串常量池中的字符串对象，均位于堆中。
堆由垃圾回收器统一管理，其内存分配与回收不依赖程序员干预。对象的生命周期不确定，且可能被多个线程访问，因此堆的设计目标是：为共享的、动态生命周期的数据提供高效的存储与回收机制。
1. 分代结构
堆采用分代设计，划分为年轻代与老年代，依据对象的生命周期特征进行分区管理。
该设计基于“弱分代假说”：绝大多数对象在创建后很快失去引用，仅少数对象长期存活。通过将高频死亡对象集中于年轻代，可实现快速、低开销的回收。
年轻代
年轻代负责新对象的分配与短生命周期对象的回收。
- 新对象优先在 Eden 区分配；
- 当 Eden 区空间不足时，触发 Minor GC；
- Minor GC 采用标记-复制算法，将 Eden 区和当前 Survivor 区中的存活对象复制到另一块空的 Survivor 区，随后清空原区域；
- Eden 区与 Survivor 区的比例由
-XX:SurvivorRatio控制，典型值为 8:1:1。
年轻代包含两个大小相等的 Survivor 区（S0 和 S1），在 Minor GC 中交替作为 From 和 To 空间，实现双缓冲机制。每次 Minor GC 后，存活对象的年龄加一。当年龄达到阈值（默认 15，由 -XX:MaxTenuringThreshold 控制），对象晋升至老年代。
对象进入老年代的路径包括：
- 年龄达到晋升阈值；
- 大对象直接分配（由
-XX:PretenureSizeThreshold控制）； - Survivor 区空间不足时的提前晋升；
- 空间担保失败时的直接分配。
老年代
老年代存放长期存活对象和大对象。
其回收频率低于年轻代，但单次回收耗时较长。当老年代空间不足时，触发 Major GC 或 Full GC，可能导致整个应用程序暂停（Stop-The-World）。
老年代的回收效率直接影响系统整体性能，频繁的 Full GC 通常表明内存分配不合理或存在内存泄漏。
2. 参数控制
堆的大小由 -Xms（初始大小）和 -Xmx（最大大小）参数控制。年轻代大小可通过 -Xmn 直接指定，或通过 -XX:NewRatio 设置其与老年代的比例。
合理的参数配置能够降低 GC 频率与停顿时间，提升系统稳定性。
三、线程栈
线程栈是线程私有的内存区域，用于支持方法调用的执行。每个线程在创建时分配独立的栈空间，其生命周期与线程一致。
栈由栈帧（Stack Frame）构成，每个方法调用对应一个栈帧。栈帧是方法执行的数据载体，包含局部变量表、操作数栈、动态链接和返回地址四个组成部分。
1. 局部变量表
局部变量表以变量槽（Slot）为单位存储数据。基本类型中，long 和 double 占用两个 Slot，其余类型占用一个 Slot。对象引用（reference）也存储于局部变量表，其本质是堆中对象实例的指针。
局部变量必须在使用前显式初始化，未赋值的局部变量无法通过编译。
2. 操作数栈
操作数栈是执行字节码指令的工作区。字节码指令通过入栈和出栈操作完成运算。例如，加法指令将两个操作数从操作数栈弹出，执行相加后将结果压回栈顶。操作数栈的深度在编译期确定，运行时不会溢出。
3. 动态链接
动态链接指向运行时常量池中该方法的符号引用。该机制支持方法调用过程中的动态分派，是实现多态的基础。通过动态链接，虚拟机可在运行时解析方法的实际地址。
4. 返回地址
返回地址记录方法执行完毕后应恢复的执行位置。正常返回时，调用者的程序计数器指向当前指令的下一条指令；异常返回时，由异常处理机制确定目标地址。
5. 栈的管理
栈空间大小由 -Xss 参数控制。若线程请求的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，抛出 StackOverflowError。若栈无法动态扩展且内存不足，抛出 OutOfMemoryError。
栈内存无需垃圾回收，方法执行结束时，其栈帧自动弹出，空间立即释放。
四、元空间
元空间是存储类元数据的区域，位于本地内存（Native Memory），独立于堆。其内容包括类的结构信息：类名、字段、方法、方法字节码、常量池、注解、JIT 编译后的代码缓存等。
元空间取代了 JDK 8 之前的永久代（PermGen）。永久代位于堆中，导致类信息与对象实例争抢堆内存，频繁引发 OutOfMemoryError: PermGen。元空间移至本地内存后，仅受系统可用内存限制，避免了该问题。
1. 生命周期与卸载
类元数据的生命周期与类加载器绑定。只有当类加载器被回收时，其加载的类元数据才可被卸载。类卸载是 Full GC 的附带动作，需满足三个条件：
- 该类所有实例已被回收；
- 该类的 Class 对象未被引用；
- 该类的类加载器实例已被回收。
2. 内存管理
元空间大小默认无上限，受系统本地内存限制。可通过 -XX:MaxMetaspaceSize 设置上限，防止内存耗尽。当元空间耗尽时，触发 Full GC 以尝试回收无用类元数据。若仍不足，抛出 OutOfMemoryError: Metaspace。
元空间的内存管理由 JVM 自身负责，使用类加载器粒度的内存块分配机制。类元数据的分配与释放不参与常规垃圾回收流程，但其回收依赖于 GC 对类加载器的可达性分析。
3. 字符串常量池的位置
字符串常量池在 JDK 7 后从永久代移至堆中，因此其生命周期与普通对象一致，由垃圾回收器管理。元空间中仅保留符号引用，实际字符串对象存储于堆。
五、垃圾回收机制
JVM 的垃圾回收机制基于可达性分析算法，以 GC Roots 为起点，标记所有可达对象，未被标记的对象视为可回收。
1. 回收算法
标记-清除
分为标记和清除两个阶段。标记阶段遍历并标记所有存活对象；清除阶段回收未被标记的对象内存。该算法实现简单，但回收后产生内存碎片，影响大对象分配效率。曾用于 CMS 收集器的老年代回收阶段。
标记-复制
将内存划分为 From 和 To 两个区域。回收时，将 From 区中的存活对象复制到 To 区，随后清空 From 区。该算法回收后内存连续，无碎片，且仅处理存活对象，效率较高。缺点是空间利用率低。主要用于年轻代的 Minor GC。
标记-整理
在标记阶段与标记-清除相同。后续阶段将所有存活对象向内存一端移动，然后清理边界外的内存。该算法避免了碎片，空间利用率高。用于 Serial Old 和 Parallel Old 等老年代收集器。
2. 默认回收器
在 JDK 8 中，默认使用 Parallel Scavenge 作为年轻代收集器，采用标记-复制算法，关注吞吐量；老年代默认使用 Parallel Old，采用标记-整理算法。
自 JDK 9 起，G1（Garbage-First）成为默认回收器。G1 将堆划分为多个固定大小的区域（Region），年轻代和老年代均以 Region 为单位进行管理。其回收过程基于并发标记与疏散机制，本质上是一种分区域的复制算法，目标是实现低延迟的垃圾回收。
3. GC 触发条件
- Minor GC：在 Eden 区满时触发，频率高但耗时短；
- Full GC：在老年代满、元空间满或显式调用
System.gc()时可能触发，影响范围广，停顿时间长。
频繁的 Full GC 通常表明内存分配不合理或存在内存泄漏。
