JVM 内存模型

区分 JVM 运行时数据区与 Java 内存模型(JMM):跟随一个对象从栈帧创建到堆分配、引用变更、GC 回收的全过程。

进阶约 20 分钟交互实验JVM堆栈GC运行时数据区

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本教程目标: 分清「JVM 运行时数据区」与「Java 内存模型 JMM」两个容易混淆的概念;掌握线程私有区(程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈)与共享区(堆、方法区/元空间)的划分;跟踪一个对象的完整生命周期:栈帧创建 → 堆分配 → 引用持有 → 失去引用 → GC 回收;理解 GC 的基本判定思路(可达性分析)与分代回收的设计动机。

图文正文ARTICLE

即使不播放动画,也可以通过以下内容理解本教程的知识点。

先分清两个「内存模型」

社区讨论里「JVM 内存模型」常被混用,其实指两个东西:

JVM 运行时数据区(本教程内容):JVM 规范定义的内存分区 —— 程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区(Java 8 后由元空间实现)。它回答「内存被划分成哪几块、分别放什么」。
Java 内存模型(JMM, JSR-133):关于多线程并发的规范 —— volatile、synchronized、final 的语义,happens-before 规则,工作内存与主内存的抽象。它回答「一个线程的写操作何时对另一个线程可见」。

两者层次完全不同:前者是内存布局,后者是并发可见性契约。本教程只讲前者,涉及并发可见性时请参考 JMM 专门资料。

运行时数据区的划分

JVM 运行时数据区分为线程私有与线程共享两类:

线程私有(随线程创建销毁):

程序计数器:当前线程执行的字节码行号指示器,唯一不会 OOM 的区域;
虚拟机栈:每调用一个方法就压入一个栈帧(局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址);栈深度超限抛 StackOverflowError,扩展失败抛 OOM;
本地方法栈:为 native 方法服务。

线程共享(随 JVM 存活):

堆(Heap):几乎所有对象实例的分配地,GC 的主战场;通常分为新生代(Eden + 两个 Survivor)与老年代;
方法区:存储类元信息、常量、静态变量;HotSpot 在 Java 8 之后用**元空间(Metaspace)**实现,使用本地内存。

变量引用在栈,对象本体在堆 —— 「Student s = new Student()」中,s(引用)在栈帧的局部变量表里,Student 实例在堆上。

一个对象的生命周期

跟踪这段代码:main 方法里的 new Student():

① 创建栈帧:main 压栈,局部变量表分配一个槽位 s; ② 堆分配:JVM 在堆上为新对象分配内存(优先在线程私有的 TLAB 中分配,避免并发竞争);对象头记录类型指针、GC 年龄等信息; ③ 建立引用:栈帧局部变量 s 指向堆中的对象; ④ 使用:通过引用读写对象的字段(编译为字节码的 getfield/putfield); ⑤ 失去引用:s 被覆盖或栈帧出栈后,堆中的对象变成不可达; ⑥ GC 回收:垃圾收集器发现对象不可达后,在合适的时机回收它占用的内存。

关键洞察:引用在栈上,对象在堆上,GC 只关心堆里的对象还有没有人引用。这就是「内存泄漏」在 Java 里的形态 —— 对象明明不再需要,却被静态集合、缓存、监听器等无意间持有引用,GC 无法回收。

GC 的判定与分代回收(教学模型)

如何判定对象可回收? 主流 JVM 使用可达性分析:从一组 GC Roots(栈帧局部变量、静态变量、JNI 引用等)出发遍历引用链,遍历不到的对象即可回收。这样天然解决「互相引用但都已孤立」的循环引用问题(与早期引用计数的差异)。

为什么要分代? 经验规律是「绝大多数对象朝生夕死,少数对象长期存活」:

对象优先在 Eden 分配;Eden 满触发 Minor GC(教学上可理解为「清理新生代不可达对象」);
存活对象在 Survivor 区之间往复,年龄达标后晋升老年代;
老年代满了触发 Major/Full GC,代价更高。

教学简化声明:本站动画使用简化的教学 GC 模型(可达性分析 + 分代搬运),用于建立正确的思维框架;真实的 HotSpot 收集器(Serial、Parallel、G1、ZGC)在并发标记、写屏障、Region 布局等实现上复杂得多,请以官方文档为准。