JVM运行时数据区内存模型
场景类比
想象一个Java程序启动一个Web服务器，处理用户请求的场景，这就像一家繁忙的餐厅：
- 堆：后厨的食材仓库，所有待处理的食材（对象）都存放在这里，由厨师（GC）管理食材的进出和过期清理。
- 方法区：餐厅的菜谱库，存储了所有菜品的制作方法（类信息），所有厨师共享这个库。
- 运行时常量池：菜谱中的特殊食材清单，记录了哪些食材是固定不变的（如“盐少许”），确保每道菜口味一致。
- 虚拟机栈：厨师的工作台，每个厨师（线程）都有自己的工作台，上面放着当前正在处理的食材（局部变量）和工具（操作数栈）。
- 本地方法栈：厨师处理特殊食材（如进口调料）的专用工作台，用于执行非Java语言（如C++）编写的功能。
- 程序计数器：厨师的记事本，记录当前正在做哪道菜的哪一步，确保切换任务时能快速回到正确位置。
协作流程
- 1、当用户发起请求时，
- 服务器线程（厨师）从堆（仓库）取出食材，
- 参照方法区（菜谱）的步骤，
- 在虚拟机栈（工作台）上处理，
- 遇到特殊操作（如加密）则通过本地方法栈（专用工作台）完成，
- 程序计数器（记事本）始终记录进度，
- 最终确保高效准确地完成每一道“菜”（请求）。
程序计数器 (线程私有)
- 1、线程私有（一块较小的内存）
- 2、记录当前线程执行到了哪一行字节码。
程序计数器是什么？
说白了就是记录线程执行哪了。
程序计数器解决了什么问题？
java虚拟机执行时，并不是单线程顺序执行下去，而是多个线程之间轮流切换，分配处理器执行时间的方式实现的。 所以这自然就引发了一个问题 -> 线程切换回来后，如何继续之前的点执行？ 程序计数器就是解决的这个问题。
程序计数器是怎么解决的？
每条线程独立维护一个属于自己的程序计数器。 java虚拟机概念模型中，字节码解释器工作时：先改变计数器的值，然后根据值确定下一步执行什么字节码指令。 所以在线程切换回来后，程序执行流程中的“分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等”自然可以基于其保证。
Java虚拟机栈 (线程私有)
- 线程私有（生命周期与线程相同，随线程启动而创建，随线程销毁而销毁）
- java方法执行时的线程内存模型
虚拟机栈是什么？
java方法执行时的线程内存模型
虚拟机栈解决了什么问题？怎么解决的？
- 1、方法调用管理：通过入栈/出栈操作，确保方法执行的顺序和状态。
- 2、数据隔离：每个方法创建一个栈帧，避免了不同方法间的数据冲突。
- 3、动态链接支持：简单讲就是支持使用反射（通过路径反射到具体内存地址的方法连接）。
虚拟机栈执行流程
- 1、线程创建，虚拟机栈创建
- 2、当java方法执行时，java虚拟机会同步创建一个栈帧。
- 栈帧存储着：局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口信息
- 局部变量表：存储方法数据
- 操作数栈：处理计算过程
- 动态链接：支持方法调用
- 方法出口信息：管理返回机制
- 栈帧存储着：局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口信息
- 3、当线程销毁时，虚拟机栈随之销毁
异常状况：
栈深度超过限制，将抛出StackOverflowError异常；（hotspotz虚拟机不会动态扩展，所以这里不会OOM）
虚拟机栈帧（局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息）各部分协同工作原理
- 栈帧存储着：局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口信息
- 局部变量表：存储方法数据
- 操作数栈：处理计算过程
- 动态链接：支持方法调用
- 方法出口信息：管理返回机制
1. 局部变量表（Local Variable Table）
- 1、作用：存储编译时确定的方法参数和局部变量（如int a = 10、String str = "hello"）
- 基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）
- 对象引用（reference类型，指向对象起始地址\指向代表对象的句柄\其他相关地址）
- returnAddress(指向一条字节码指令的地址)
- 2、存储机制：以变量槽（Slot，32位）为单位
- 32位类型（如int）占用1个Slot，
- 64位类型（如long、double）占用2个Slot。
- 3、生命周期：方法执行时创建，方法结束时销毁，线程私有。
2. 操作数栈（Operand Stack）
- 1、作用：存储计算过程中的临时结果（如a + b的中间值）。
- 2、工作原理：后入先出（LIFO）栈结构（通过push/pop操作管理数据）。
- 3、深度限制：编译时确定，通过max_stacks属性保存。
3. 动态链接（Dynamic Linking）
- 1、作用：将符号引用（如方法名）转换为直接引用（如内存地址），支持方法调用。
- 2、实现机制：通过运行时常量池中的引用实现，分为静态解析和动态连接。
- 3、生活场景类比：类似电话簿，将方法名映射到实际执行地址。
4. 方法出口信息（Return Address）
- 1、作用：记录方法执行完毕后的返回地址，支持方法调用的返回机制。
- 2、工作原理：方法返回时，栈帧将结果传递给前一个栈帧，当前栈帧出栈。
- 3、生活类比：类似航班登机牌，记录返回航班的登机口。
本地方法栈 (线程私有)
与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的， 区别：虚拟机栈 -> Java方法（也就是字节码）服务; 本地方法栈 -> 本地（Native）方法服务。
Java堆 (线程共享)
- 1、JVM内存管理中最大的区域（主要用于存储对象实例和数组）。
- 2、线程共享的内存区域，
- 3、由垃圾回收器（GC）自动管理。 注意： Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存，但随着逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换等优化手段，导致Java对象实例也不都是分配在堆上了
堆解决了什么问题？
- 1、对象动态分配：运行时通过new -> 创建的对象动态的在堆中分配内存。
- 2、线程共享：实现对象的跨线程访问（需注意线程安全）。
- 3、内存回收：GC自动回收不再被引用的对象(避免内存泄漏和溢出)。
堆解决了什么问题？
- 1、分代收集：堆分为新生代和老年代，通过Eden区和Survivor区实现对象的生命周期管理。
- 2、垃圾回收：标记-清除和复制算法。
- 3、内存分配：指针移动、空闲链表 实现高效内存分配。 这一部分是jvm的重点，后续会专门讲解
方法区（线程共享）
方法区是一个独立的内存区域（线程共享），存储类信息、常量、静态变量等元数据。
方法区解决了什么问题？怎么解决的？
线程共享：所有线程共享方法区（确保类信息全局一致，避免了类重复加载）
异常情况：
加载过多类，引发OOM，可通过参数（-XX:MetaspaceSize）调优
运行时常量池（线程共享）
在类加载后，编译期中生成的各种字面量与符号引用奖存放到运行时常量池中。
解决了什么问题？怎么解决的？
- 内存共享问题：通过共享相同常量节省内存
- 执行效率问题：通过直接引用快速定位常量提升效率。
直接内存
JDK 1.4的NIO（New Input/Output）引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式， 它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。 这块不受Java堆大小的限制，但也可能导致OutOfMemoryError异常出现。
