JVM 的内存区域是怎么划分的？

详细解析#

整体划分#

JVM 运行时数据区
├── 线程私有（随线程创建和销毁）
│   ├── 程序计数器：当前线程正在执行的字节码指令地址
│   ├── 虚拟机栈：每次方法调用创建一个栈帧
│   │   └── 栈帧：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址
│   └── 本地方法栈：执行 native 方法时使用（HotSpot 把它和虚拟机栈合二为一）
└── 线程共享
    ├── 堆：对象实例和数组，GC 的主要区域
    └── 方法区：类的元数据、运行时常量池
        （JDK 7 及以前由永久代实现，JDK 8 起由元空间实现）

堆外：直接内存，不属于运行时数据区

线程私有的区域#

• 程序计数器：记录当前线程执行到了哪条字节码指令，线程切换回来后靠它恢复执行位置；执行 native 方法时它的值是未定义的。它占用的空间很小，规范没有为它规定任何 OutOfMemoryError
• 虚拟机栈：每调用一个方法就压入一个栈帧，方法返回时弹出。局部变量表存放方法参数和局部变量（基本类型的值、对象的引用），大小在编译期就确定了；操作数栈是字节码指令计算时的临时工作区。递归太深、栈帧超出栈的容量时抛出 StackOverflowError
• 本地方法栈：为 native 方法服务，作用和虚拟机栈类似

栈大小用 -Xss 设置，64 位 Linux 上默认是 1MB。栈越大，单个线程能嵌套调用的层数越多，但每个线程占用的内存也越多。

线程共享的区域#

• 堆：几乎所有对象实例和数组都在这里分配，由 GC 管理，大小用 -Xms（初始）和 -Xmx（最大）设置。分代收集器会把堆分成新生代和老年代，细节见 JVM 的垃圾回收
• 方法区：存放已加载类的元数据（类的结构、字段和方法信息、字节码等）和运行时常量池。运行时常量池是 class 文件中常量池在运行时的形式，保存字面量和符号引用，符号引用在解析后会替换为直接引用。类怎样被加载进来见 类加载过程

为什么用元空间替代永久代#

方法区是规范中的概念，永久代和元空间是 HotSpot 先后用来实现它的方式。JDK 8 移除永久代，主要有三个原因：

1. 永久代的大小很难定：它的上限在启动时就固定了（-XX:MaxPermSize），而应用会加载多少类很难预估。大量使用动态代理、CGLIB、JSP，或者在应用服务器里反复热部署时，很容易出现 OutOfMemoryError: PermGen space
2. 元空间使用本地内存：默认上限只受系统可用内存限制；类的元数据按类加载器分配，类加载器被回收时，它加载的类的元数据可以一起释放
3. 合并 JRockit：Oracle 要把 HotSpot 和 JRockit 两个虚拟机融合，JRockit 本来就没有永久代

几类数据的存放位置也在这几个版本里发生了变化：

直接内存#

直接内存不属于运行时数据区，是通过 ByteBuffer.allocateDirect 等方式在堆外分配的内存。网络和文件 I/O 使用它可以减少一次 Java 堆和本地内存之间的数据复制，Netty 等框架大量使用。上限用 -XX:MaxDirectMemorySize 设置，不设置时默认大约等于最大堆大小。

各区域的异常和参数#

代码示例#

public class StackOverflowDemo {
    private static int depth = 0;

    private static void recurse() {
        depth++;
        recurse(); // 没有终止条件，栈帧不断压栈
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            recurse();
        } catch (StackOverflowError e) {
            // 具体深度和 -Xss、栈帧大小、JIT 编译情况有关，每次运行可能不同
            System.out.println("StackOverflowError, depth = " + depth);
        }
    }
}

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class HeapOomDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new byte[1024 * 1024]); // 每次 1MB，一直被 list 引用着，无法回收
        }
    }
}

java -Xss256k StackOverflowDemo   # 栈调小后，能达到的深度明显变浅
java -Xmx16m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError HeapOomDemo
# 抛出 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space，并在当前目录生成 .hprof 堆转储文件

面试官可能追问#

易错点#

• 方法区是规范里的概念，永久代和元空间是 HotSpot 的实现，不能说"JDK 8 去掉了方法区"
• 元空间默认没有上限，类加载泄漏（比如不断生成新的动态代理类）会一直占用本地内存，生产环境建议设置 -XX:MaxMetaspaceSize
• -XX:MetaspaceSize 不是元空间的初始大小，而是第一次因元空间占用触发 GC 的阈值
• 字符串常量池从 JDK 7 起就在堆中，不在元空间里