第三章：Java 内存模型 JMM 与运行时数据区

Java程序员在遇到内存溢出、栈溢出或频繁GC等问题时，都需要深入理解JVM内存结构。本文将系统讲解运行时数据区与内存模型，帮助掌握内存管理的核心知识。

OutOfMemoryError
StackOverflowError
频繁Full GC
内存泄漏
线程安全问题
CPU 100%

这些问题最终都指向：

JVM内存

例如：

List list = new ArrayList<>();while (true) {
    list.add(new User());
}

运行后：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

为什么会报错？

因为：

堆内存被占满了

所以学习 JVM，首先必须搞懂内存结构。

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二、JVM 运行时数据区

当 JVM 启动时，会创建运行时数据区（Runtime Data Area）。

官方结构图：

                 JVM Runtime Data Area      线程共享
 ┌─────────────────────┐
 │       Heap          │
 ├─────────────────────┤
 │    Method Area      │
 └─────────────────────┘
      线程私有
 ┌─────────────────────┐
 │ Program Counter     │
 ├─────────────────────┤
 │ Java Stack          │
 ├─────────────────────┤
 │ Native Method Stack │
 └─────────────────────┘

分为两大类：

线程共享

所有线程共同拥有：

Heap（堆）
Method Area（方法区）

---

线程私有

每个线程独立拥有：

程序计数器
虚拟机栈
本地方法栈

---

三、程序计数器（Program Counter Register）

这是 JVM 最小的一块内存。

作用：

记录当前线程执行到哪条字节码指令

例如：

public void test() {
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = a + b;
}

JVM执行过程：

0: iconst_1
1: istore_12: iconst_2
3: istore_24: iload_1
5: iload_2
6: iadd
7: istore_3

程序计数器记录：

当前执行位置

例如：

当前执行到第5条指令

---

为什么每个线程都需要程序计数器？

因为 JVM 支持多线程。

例如：

线程A
线程B
线程C

CPU不断切换：

A → B → C → A → B

切换回来时必须知道：

上次执行到哪里

因此每个线程都必须拥有独立程序计数器。

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四、Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

这是面试最高频知识点之一。

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什么是栈？

每个线程启动时：

创建一个虚拟机栈

每调用一个方法：

创建一个栈帧（Stack Frame）

例如：

public static void main(String[] args) {
    test();
}public static void test() {
    int age = 18;
}

执行过程：

main()
 │
 ▼
test()

栈结构：

┌──────────┐
│ test()   │
├──────────┤
│ main()   │
└──────────┘

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五、栈帧结构

每个方法对应一个栈帧。

┌────────────────────┐
│ Local Variables    │
├────────────────────┤
│ Operand Stack      │
├────────────────────┤
│ Dynamic Linking    │
├────────────────────┤
│ Return Address     │
└────────────────────┘

---

局部变量表

例如：

public void test() {
    int age = 18;
    String name = "Tom";
}

存放：

age
name引用

---

操作数栈

JVM计算使用。

例如：

int c = a + b;

执行过程：

push a
push b
add
pop

类似：

1
2
+
=
3

---

六、StackOverflowError 原理

经典面试题。

代码：

public void test() {
    test();
}

执行：

test()
 └─ test()
     └─ test()
         └─ test()
             ...

栈不断增长：

┌──────┐
│test  │
├──────┤
│test  │
├──────┤
│test  │
├──────┤
│test  │
└──────┘

最终：

java.lang.StackOverflowError

---

七、本地方法栈（Native Method Stack）

服务于：

native

关键字修饰的方法。

例如：

public native void start0();

Thread源码：

start()
    ↓
start0()

最终进入：

C++
Linux
Windows API

执行。

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八、堆（Heap）

JVM中最大的一块内存。

也是 GC 最主要工作区域。

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堆存储什么？

所有对象：

new User()new ArrayList()new HashMap()

都在堆中。

例如：

User user = new User();

内存：

Stack
 └─ user引用Heap
 └─ User对象

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九、对象创建过程

代码：

User user = new User();

发生了什么？

---

第一步

检查类是否加载：

User.class

未加载：

ClassLoader加载

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第二步

堆中分配内存：

Heap
 ┌─────────┐
 │ User对象 │
 └─────────┘

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第三步

初始化对象：

name = null;
age = 0;

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第四步

执行构造函数：

public User() {
    this.age = 18;
}

---

第五步

返回引用：

user

保存到栈。

---

十、方法区（Method Area）

JDK8以前：

Permanent Generation(PermGen)

JDK8以后：

Metaspace（元空间）

---

存储内容

类元数据：

public class User {
}

存放：

类名
字段信息
方法信息
字节码
运行时常量池

---

示例

public class User {    private String name;    public void hello() {    }
}

方法区保存：

User类结构
hello方法信息
name字段信息

---

十一、运行时常量池

属于方法区的一部分。

例如：

String s = "hello";

字符串常量：

"hello"

会进入：

String Constant Pool

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例如：

String a = "abc";
String b = "abc";

实际上：

a
 
  ---> "abc"
 /
b

共享同一个对象。

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十二、JMM（Java Memory Model）是什么？

很多人把 JVM 内存结构和 JMM 混淆。

实际上：

---

JVM Runtime Data Area

解决：

内存如何划分

问题。

---

JMM

解决：

线程之间如何访问内存

问题。

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十三、为什么需要 JMM？

假设：

private boolean flag = false;

线程A：

flag = true;

线程B：

while (!flag) {}

理论上：

线程B应该结束循环

但实际上：

可能永远循环

为什么？

因为 CPU 缓存。

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十四、JMM 核心结构

           Main Memory
                 │
      ┌──────────┴──────────┐
      │                     │
 Thread A             Thread B
 Working Memory    Working Memory

每个线程：

有自己的工作内存

不能直接访问其他线程内存。

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执行流程：

主内存
 ↓
工作内存
 ↓
修改
 ↓
刷新主内存

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十五、volatile 如何解决可见性？

代码：

private volatile boolean flag = false;

线程A：

flag = true;

JMM保证：

立即刷新主内存

线程B：

读取主内存最新值

因此：

while循环结束

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十六、JMM 三大特性

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1 原子性（Atomicity）

例如：

count++;

实际上：

读取
+
1
写回

不是原子操作。

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2 可见性（Visibility）

线程A修改变量：

flag = true;

线程B能够立即看到。

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3 有序性（Ordering）

JVM和CPU会优化：

指令重排

JMM保证：

在规则范围内有序

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十七、面试高频问题

JVM内存结构有哪些？

程序计数器
虚拟机栈
本地方法栈
堆
方法区

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堆和栈有什么区别？

栈：

线程私有
方法调用
局部变量

堆：

线程共享
对象实例
GC管理

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为什么会 StackOverflowError？

递归过深
栈帧过多

导致栈空间耗尽。

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为什么会 OOM？

堆内存不足
元空间不足
直接内存不足

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JMM 和 JVM 内存结构有什么区别？

JVM内存结构：

关注内存区域划分

JMM：

关注线程间共享变量访问规则

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本章总结

掌握运行时数据区与JMM后，便理解了JVM内存管理的核心基础。下一章将深入垃圾收集原理，涵盖对象判定、GC类型及主流收集器选择，这是面试与调优的关键内容。