Java 内存模型
一段简单的 Java 程序，Test.java：
class Test {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello, world");
}
}
首先使用 javac 命令编译成 Test.class：
javac Test.java
然后通过 java 命令执行：
java Test
输出如下：
Hello, world
Java 程序在运行过程中，首先会将 .java 文件编译成 .class 字节码文件，Java 程序访问 Java 类时，会使用 ClassLoader 将 .class 文件加载到 JVM （Java visual machine）内存中。
JVM 中的内存可以划分为两大块：线程间共享区域和线程私有区域。线程间共享区域又分为堆、方法区，线程私有区域分为虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。
Java 内存模型
一、堆
堆（Heap）是 JVM 所管理的内存中最大的一块，它的唯一目的就是存放对象实例。几乎所有的对象实例都是在堆上分配的，因此它也是 GC（Garbage Collector）管理的主要区域。因为堆是线程间共享的，所以分配在堆上的对象如果被多个线程同时访问，需要考虑线程安全问题。
堆中的内存可以划分为新生代和老年代，新生代又分为 Eden 区和 Survivor 区，在 GC 回收时，不同区域会采用不同的回收策略。
1.1 OutOfMemoryError
理论上，虚拟机栈、堆、方法区都有可能发生 OOM（OutOfMemoryError），但大多数情况下是发生在堆中。如以下代码：
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
class Test {
public static void main(String[] args) {
List<Test> tests = new ArrayList<>();
while (true) {
tests.add(new Test());
}
}
}
我们在一个死循环中不断 new 出对象，这会不断占用堆中的内存，当堆内存不够时，必然产生 OOM：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.base/java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3721)
at java.base/java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3690)
at java.base/java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:237)
at java.base/java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:242)
at java.base/java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:485)
at java.base/java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:498)
at Test.main(Test.java:8)
二、方法区
方法区（Method Area）主要用来存储 JVM 中已经加载的类信息（版本、字段、方法、接口）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码和数据。
方法区只是 JVM 规范中规定的一块区域，并不是实际实现。HotSpot 在 JDK 1.7 之前使用 “永久区”（Perm 区）来实现方法区，在 JDK 1.8 之后 “永久区”就被移除了，取而代之的是一种叫做“元空间”（metaspace）的实现方式。
三、虚拟机栈
虚拟机栈用来描述 Java 方法执行的内存模型，每个方法被执行的时候，JVM 都会在线程中为这个方法创建一个栈帧。所有的栈帧都被放在虚拟机栈中。
3.1 栈帧
栈帧（Stack Frame）是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的一种数据结构。
一个线程包含多个栈帧，每个栈帧内部主要包含局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址。
3.1.1 局部变量表
顾名思义，局部变量表用于存储方法内部创建的局部变量，包括调用方法时传递过来的实参。在 .java 文件被编译成 .class 文件时，就会在方法的 Code 属性表中的 max_locals 数据项中，确定该方法需要分配的最大局部变量表的容量。
比如，我们创建一个 Test.java 文件：
class Test {
public static int add(int k) {
int i = 1;
int j = 2;
return i + j + k;
}
}
先使用 javac Test.java 编译出 .class 文件，然后使用 javap -v Test.class 查看字节码：
class Test
minor version: 0
major version: 56
flags: (0x0020) ACC_SUPER
this_class: #2 // Test
super_class: #3 // java/lang/Object
interfaces: 0, fields: 0, methods: 2, attributes: 1
Constant pool:
#1 = Methodref #3.#12 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Class #13 // Test
#3 = Class #14 // java/lang/Object
#4 = Utf8 <init>
#5 = Utf8 ()V
#6 = Utf8 Code
#7 = Utf8 LineNumberTable
#8 = Utf8 add
#9 = Utf8 (I)I
#10 = Utf8 SourceFile
#11 = Utf8 Test.java
#12 = NameAndType #4:#5 // "<init>":()V
#13 = Utf8 Test
#14 = Utf8 java/lang/Object
{
Test();
descriptor: ()V
flags: (0x0000)
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 1: 0
public static int add(int);
descriptor: (I)I
flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: iconst_1
1: istore_1
2: iconst_2
3: istore_2
4: iload_1
5: iload_2
6: iadd
7: iload_0
8: iadd
9: ireturn
LineNumberTable:
line 3: 0
line 4: 2
line 5: 4
}
SourceFile: "Test.java"
其中的 locals=3 就表示局部变量表的长度是 3，也就是说经过编译后，局部变量表的长度已经确定是 3，分别保存参数 i、j、k。
3.1.2 操作数栈
操作数栈（Operand Stack）也常被称为操作栈，与局部变量表一样，操作数栈的最大深度在编译后就确定了。对应上例中的 stack=2，栈中的元素可以是任意 Java 数据类型。
当一个方法刚刚开始执行时，操作数栈是空的，在方法执行过程中，会有各种字节码指令被压入和弹出操作数栈。
在上例中，各指令的含义如下：
- iconst_1 将常量 1 压入操作数栈。int 取 -1~5 时采用 iconst，否则取 -128～127 时采用 bipush，否则取 -32768～32767 时采用 sipush 指令，否则采用 ldc 指令。
- istore_1 将操作数栈顶元素出栈，放入局部变量表索引为 1 的位置
- iload_1 将局部变量表中索引为 1 的值压入操作数栈
- iadd 将操作数栈栈顶的两个元素出栈，相加后重新压入栈顶
- ireturn 指令，将操作数栈顶的元素返回给上层方法。至此方法执行完毕，局部变量表和操作数栈也会相继被销毁。
3.1.3 动态链接
在一个 .class 文件中，一个方法要调用其他方法，需要将这些方法的符号引用转化为其所在内存地址中的直接引用，而符号引用存在于方法区中。
Java 虚拟机栈中，每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈所属方法的符号引用，持有这个引用的目的就是为了支持方法调用过程中的动态链接（Dynamic Linking）。
3.1.4 返回地址
当一个方法执行后，有两种方式退出：
- 正常退出：代码执行完成或者遇到 return 等方法返回指令
- 异常退出：执行时遇到未处理的异常
无论哪种方式退出，方法退出后都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行（比如发生异常时，可以在上层调用处再 catch 此异常）。“返回地址”就是用来记录当前方法返回地址的。
3.1.5 StackOverflowError
当方法无限递归调用时，就会出现 StackOverflowError。如以下代码：
class Test {
public static void main(String[] args) {
main(null);
}
}
运行时就会出现以下错误：
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at Test.main(Test.java:3)
at Test.main(Test.java:3)
at Test.main(Test.java:3)
...
前文说到，每运行一个方法，线程中都会创建一个栈帧。在这个递归调用中，每个方法都没有运行结束，所以每个方法都不会退出，所以每个创建出的栈帧都不会被销毁，最终必然导致 StackOverflowError。
四、本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stack）和虚拟机栈基本相同，只不过是针对 native 方法，在 HotSpot 中已经将本地方法栈和虚拟机栈合二为一了。
五、程序计数器
Java 程序是多线程的，CPU 可以在多个线程中分配执行时间片段。当某一个线程被挂起时，需要记录当前线程正在执行的位置，以便 CPU 重新执行此线程时，知道从何处开始。程序计数器就是用来记录当前线程正在执行的位置的。
程序计数器中没有规定 OOM 异常，当一个线程正在执行 Java 方法时，程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。如果正在执行 native 方法，这个计数器的值为空（Undefined）。
Java 内存模型详情
