【JVM】Java虚拟机（一）——内存结构-EW帮帮网

特点：

线程共享：所有线程访问同一堆空间

GC主要区域：垃圾收集器管理的主要区域

分代管理：

新生代（Young Generation）：新对象创建区域

Eden区：对象初次分配区

Survivor区：经过Minor GC后存活的对象

老年代（Old Generation）：长期存活的对象

异常：当堆无法分配内存且无法扩展时，抛出OutOfMemoryError

对象分配过程：

六、方法区

方法区(Method Area) 存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量等数据。

方法区结构：

特点：

线程共享：所有线程共享方法区

永久代→元空间：

JDK7及之前：永久代(PermGen)，在堆中

JDK8+：元空间(Metaspace)，使用本地内存

包含运行时常量池：

存放编译期生成的各种字面量和符号引用

动态性：运行期间也可以将新的常量放入池中

异常：当方法区无法满足内存分配需求时，抛出OutOfMemoryError

运行时常量池

常量池，就是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息
运行时常量池，常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

七、StringTable

（一）StringTable 核心概念

本质
StringTable（字符串表）是JVM中哈希表（Hash Table） 的实现，用于存储字符串对象的引用。
- 键（Key）：字符串的哈希值（由字符串内容计算得出）。
- 值（Value）：字符串对象在堆中的引用。
与常量池的关系
- class文件常量池：存储编译期生成的字面量（Literal）和符号引用（如 "abc"）。
- 运行时常量池：类加载时，将class常量池加载到方法区中。
- StringTable：在运行时常量池中的字符串字面量首次被使用时，动态创建实际字符串对象并存入StringTable。

（二）核心特性与机制

1. 字符串唯一性（Intern机制）

通过 String.intern() 方法，将字符串主动加入StringTable并返回唯一引用。
规则：若StringTable中已存在相同内容的字符串，则返回其引用；否则将当前字符串加入表中。

String s1 = new String("hello");  // 在堆中创建对象，未加入StringTable
String s2 = "hello";              // 直接使用StringTable中的引用
String s3 = s1.intern();          // 将s1的字符串内容加入StringTable

System.out.println(s1 == s2);     // false：s1在堆，s2在StringTable
System.out.println(s2 == s3);     // true：s2和s3指向StringTable同一对象

2. 延迟加载

字符串字面量在首次被引用时才创建对象并加入StringTable。
示例：

public class LazyLoadExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 仅声明字面量，未主动使用，不会加载到StringTable
        String unused = "unused_string"; 

        // 首次使用字面量时加载
        System.out.println("hello");  // "hello" 被加入StringTable
    }
}

3. 不可变性

所有存入StringTable的字符串均为不可变对象（由final char[]实现）。
修改字符串会创建新对象，不影响原StringTable中的引用。

常量池中的字符串仅是符号，第一次用到时才变为对象

利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象

字符串变量拼接的原理是 StringBuilder （1.8）

字符串常量拼接的原理是编译期优化

可以使用 intern 方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池

1.8 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则并不会放入，如果没有则放入串池，会把串池中的对象返回

1.6 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则并不会放入，如果没有会把此对象复制一份，放入串池，会把串池中的对象返回

（三）内存位置演变

JVM版本	存储位置	特点
JDK 1.6及之前	永久代（PermGen）	固定大小，易触发 `OutOfMemoryError: PermGen space`。
JDK 1.7+	堆内存（Heap）	可动态扩容，受 `-Xmx` 控制，GC可回收无引用的字符串。

（四）字符串创建流程

（五）性能优化建议

调整表大小

通过 -XX:StringTableSize=N 设置桶数量（建议设为质数），减少哈希冲突。

java -XX:StringTableSize=10009 MyApp

避免重复字符串

使用 intern() 减少重复大字符串的内存占用（适合重复率高的场景）。

List<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    String temp = new String("重复数据").intern(); // 复用StringTable中的对象
    list.add(temp);
}

谨慎使用 intern()
- 高频调用可能引发哈希冲突，导致性能下降。
- 适合长期存活且重复率高的字符串（如数据库字段名）。

（六）示例：StringTable 与 GC 交互

public class StringTableGCDemo {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            String temp = "str_" + i; // 字面量加入StringTable
            temp = null; // 断开引用
        }
        System.gc(); // 触发GC，回收无引用的String对象（JDK1.7+）
    }
}

JDK 1.6：字符串在PermGen中，GC不回收，导致内存泄漏。
JDK 1.7+：字符串在堆中，GC可回收无引用的对象。

（七）总结对比表

特性	常量池（Constant Pool）	StringTable
存储内容	字面量、符号引用	字符串对象的引用
内存位置	方法区（元空间）	堆内存
生命周期	类加载时生成	运行时动态添加
垃圾回收	不回收	可被GC回收（JDK1.7+）
数据结构	表结构（非哈希）	哈希表

关键结论：

StringTable 是 运行时字符串驻留机制 的核心，通过哈希表实现唯一性。

JDK 1.7+ 将其移至堆内存，解决了永久代内存溢出问题，且支持GC回收。

合理使用 intern() 和调整 StringTableSize 可优化内存与性能。

（八）面试题

String s1 = "a";
String s2 = "b";
String s3 = "a" + "b";
String s4 = s1 + s2;
String s5 = "ab";
String s6 = s4.intern();
// 问
System.out.println(s3 == s4);
System.out.println(s3 == s5);
System.out.println(s3 == s6);
String x2 = new String("c") + new String("d");
String x1 = "cd";
x2.intern();
// 问，如果调换了【最后两行代码】的位置呢，如果是jdk1.6呢
System.out.println(x1 == x2);

八、直接内存

（一）基本概念

定义：直接内存是 JVM 堆外由操作系统直接管理的内存区域。
核心类：通过 java.nio.ByteBuffer.allocateDirect() 分配。
数据存储：直接存储原始字节数据，不归 JVM GC 管理。

（二）与堆内存的对比

特性	直接内存	堆内存
内存位置	堆外（操作系统管理）	JVM 堆内
分配速度	较慢（需系统调用）	较快（JVM 内部管理）
访问速度	快（少一次数据复制）	较慢（需复制到堆外）
内存回收	手动或基于 `Cleaner` 机制	GC 自动回收
容量限制	受系统内存限制	受 `-Xmx` 限制
适用场景	高频 I/O、大文件操作	常规对象存储

（三）核心优势

减少数据复制
- 传统 I/O：数据需从内核缓冲区 → JVM 堆缓冲区 → 用户空间（两次复制）。
- 直接内存：数据直接在内核缓冲区处理（零复制），提升效率。
- 应用场景：网络传输、文件读写（如 NIO 的 FileChannel.transferTo()）。
突破堆大小限制

// 分配 1GB 直接内存（不受 -Xmx 限制）
ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024 * 1024);

（四）内存分配与回收

分配方式：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024); // 分配 1KB 直接内存

回收机制：

Cleaner 机制：DirectByteBuffer 被 GC 回收时，触发关联的 Cleaner 释放堆外内存。
手动释放（不推荐）：

// 反射强制释放（仅作演示，实际慎用！）
Method cleanerMethod = buffer.getClass().getMethod("cleaner");
cleanerMethod.setAccessible(true);
Object cleaner = cleanerMethod.invoke(buffer);
Method cleanMethod = cleaner.getClass().getMethod("clean");
cleanMethod.invoke(cleaner);

（五）潜在问题

内存泄漏
- 原因：DirectByteBuffer 对象被回收前，堆外内存不会被释放。
- 风险点：频繁分配大块直接内存且未及时触发 GC。
OutOfMemoryError
- 错误信息：Direct buffer memory
- 解决方案：
  - 增大 JVM 参数：-XX:MaxDirectMemorySize=2G（默认等于 -Xmx）。
  - 优化代码：复用 ByteBuffer 或显式调用 System.gc()（不保证立即生效）。

（六）最佳实践

复用缓冲区

// 复用 ByteBuffer 减少分配开销
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
buffer.clear(); // 重置位置标记，准备复用

结合内存映射文件

// 使用内存映射文件操作大文件（基于直接内存）
FileChannel channel = FileChannel.open(Path.of("largefile.bin"));
MappedByteBuffer mappedBuffer = channel.map(
    FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, channel.size()
);

监控工具
- JVM 参数：-XX:NativeMemoryTracking=detail
- 命令：jcmd <pid> VM.native_memory

（七）典型应用场景

Netty 的 ByteBuf

// Netty 的池化直接内存
ByteBuf directBuf = Unpooled.directBuffer(1024);

高性能序列化
- 如 Kryo、FST 直接操作堆外内存避免 GC 停顿。

（八）总结

关键点	说明
本质	JVM 堆外内存，由操作系统管理
分配方式	`ByteBuffer.allocateDirect()`
性能优势	零复制（减少内核-用户态数据拷贝）
回收风险	依赖 `Cleaner` 机制，可能内存泄漏
适用场景	高频 I/O、大文件处理、网络通信框架
监控手段	NMT（Native Memory Tracking）、`MaxDirectMemorySize` 参数

（九）分配和回收原理

使用了 Unsafe 对象完成直接内存的分配回收，并且回收需要主动调用 freeMemory 方法

ByteBuffer 的实现类内部，使用了 Cleaner （虚引用）来监测 ByteBuffer 对象，一旦 ByteBuffer 对象被垃圾回收，那么就会由 ReferenceHandler 线程通过 Cleaner 的 clean 方法调用 freeMemory 来释放直接内存

九、JVM内存整体结构图

完结撒花🎉

【JVM】Java虚拟机（一）——内存结构

一、简介

二、程序计数器

三、虚拟机栈

栈帧结构：

特点：

四、本地方法栈

特点：

五、堆

堆结构：

特点：

对象分配过程：

六、方法区

方法区结构：

特点：

运行时常量池

七、StringTable

（一）StringTable 核心概念

（二）核心特性与机制

1. 字符串唯一性（Intern机制）

2. 延迟加载

3. 不可变性

（三）内存位置演变

（四）字符串创建流程

（五）性能优化建议

（六）示例：StringTable 与 GC 交互

（七）总结对比表

（八）面试题

八、直接内存

（一） 基本概念

（二）与堆内存的对比

（三）核心优势

（四）内存分配与回收

（五）潜在问题

（六）最佳实践

（七）典型应用场景

（八）总结

（九）分配和回收原理

九、JVM内存整体结构图

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