一、五大核心区域

1. 线程私有区域

(1) 程序计数器

• 线程私有
• 唯一无 OOM区域
• 作用：记录当前线程执行字节码行号，支撑分支跳转、循环、异常恢复，多线程切换靠它恢复执行位置

(2) 虚拟机栈（Java 栈）

• 线程私有
• 作用：每个线程都会创建一个栈帧，存放局部变量表(包括引用变量等)、操作数栈、动态链接、方法返回地址
• 方法嵌套层级太深、递归死循环，报栈深度超限 StackOverflowError
• 栈空间不足报 OutOfMemoryError(OOM)异常

(3) 本地方法栈

• 线程私有
• 作用：专门服务 Native 方法，同样会栈溢出 / OOM

• HotSpot中甚至把它和虚拟机栈合二为一

2. 线程共享区域

(1) 堆 Heap(JVM最大的一块内存)

• 线程共享
• 作用：存放所有的对象实例、 数组实例
• 垃圾回收主要操作的区域，也是唯一频繁 GC 区域，OOM 最常见：Java heap space
• JDK7堆内存结构：新生代（Young）+ 老年代（Old）+ 永久代（PermGen，方法区实现）
  • 永久代（PermGen，堆内）存放：类元数据、方法字节码、运行时常量池（含字符串常量池）、静态变量、JVM 内部表等
• JDK8堆内存结构：新生代（Young）+ 老年代（Old）；PermGen 彻底移除，改用元空间（Metaspace，堆外）

 PS：为什么 JDK8 要移除 永久代PermGen？

• OOM 频发：PermGen 大小难预估，加载大量类 / 动态生成类（如 CGLib、Spring）易溢出。
• GC 效率低：PermGen 回收条件苛刻（类卸载、FullGC），回收效果差。
• 融合 JRockit：Oracle 收购后整合 HotSpot 与 JRockit，JRockit 无 PermGen 设计，统一为 Metaspace。
• 本地内存更灵活：Metaspace 使用系统内存，可动态扩展，减少 JVM 堆内存压力。

(2) 方法区（元空间 Metaspace）

• JDK7叫永久代；JDK8叫元空间，直接用操作系统本地内存
• 作用：存放方法代码、类结构、常量池、方法元数据、静态变量、运行时常量池
• 元空间不足会触发 OOM 异常

二、 对象创建流程

HotSpot中对象的创建分为5步：

1、类加载检查 

JVM遇到new指令时，先去常量池检查该类是否已经被加载、解析、初始化过，如果没有，先执行类加载流程。

PS：这里为什么是去常量池中检查？

• 常量池存放类、方法、字段、接口、符号引用所有依赖信息，是 Class 的索引字典。
• 类加载验证、解析阶段都依赖常量池：校验 Class 合法性、继承权限、字节码规范。
• 编译时是符号引用存在常量池，加载时要把符号引用解析为内存直接引用，必须遍历常量池。
• 所有跨类依赖、动态链接、安全校验，全部依托常量池完成，所以类加载必须重点检查常量池。

PS：类加载三大阶段：验证、准备、解析为什么都依赖常量池？

(1) 验证阶段 → 靠常量池做合法性校验

虚拟机要检查这个 Class 是不是合规、安全、没被篡改，全部看常量池：

• 检查魔术号、版本号（在常量池相关结构），防止非法 Class
• 检查继承关系：父类是否 final、是否合法继承
• 检查访问权限：private/protected/public 跨类访问合规性
• 检查方法签名、字段签名是否合法，有没有非法重载、重写

没有常量池，JVM 根本不知道这个类依赖谁、结构对不对。

(2) 准备阶段 → 给常量池里的静态变量分配默认值

静态字段的引用信息都在常量池，JVM 根据常量池记录的字段类型，分配内存、赋默认零值。

(3) 解析阶段 → 核心：符号引用 → 直接引用

这是最关键原因：

• 编译时：只生成符号引用（字符串形式，比如 Student.say()）存在常量池
• 加载解析时：把常量池里的符号引用，替换成内存直接地址（指针 / 偏移量）

不遍历常量池，就没法完成引用绑定，代码根本跑不起来。

2、分配内存（指针碰撞 / 空闲列表）

类加载完成后，计算所需内存的大小，在堆中划分空间。

分配方式：内存规整使用指针碰撞，内存不规整用空闲列表

多线程环境使用 CAS + 失败重试保证线程安全

(1) 指针碰撞

原理：

• 堆里维护一个分界指针：指针左边已分配，右边空闲。
• 新对象要分配内存：直接把指针向右挪动对象大小即可。
• 分配极快，只做一次指针偏移，无遍历、无查询。

适用场景：内存规整、没有内存碎片典型：Serial、ParNew 带复制算法的新生代

优点：分配速度极致快，无额外开销；实现简单

缺点：只能用在内存绝对规整的区域；一旦产生内存碎片，就不能用

(2) 空闲列表

原理：

• JVM 维护一个空闲列表，记录每一块空闲内存的起始地址 + 大小。
• 新对象分配：遍历列表，找一块能装下对象的空闲块。
• 分配后更新列表（拆分 / 移除空闲块）。

适用场景：内存不规整、有大量内存碎片典型：老年代、标记清除算法之后。

优点：不在乎内存是否规整，碎片化也能正常分配；适配标记 - 清除这种会产生碎片的 GC

缺点：需要遍历列表找合适空闲块，分配速度慢；维护列表有开销、容易产生内部碎片

3、初始化零值 

内存分配完成后，JVM把所有字段赋默认值，比如int=0、boolean=false、引用=null，保证对象不赋值就能直接使用。

4、设置对象头

给对象设置头信息，包括哈希码、GC分代年龄、锁状态、类型指针(指向类元数据)

PS：为什么要设置对象头信息？

• 对象头里保存了GC 分代年龄、锁状态、哈希码、类型指针；
• JVM 依靠对象头完成垃圾回收、锁机制、类型判断、多态和反射，是 JVM 管理 Java 对象的基础元数据，缺一不可。

5、执行<init>构造方法

执行init构造方法，完成业务层面的初始化，整个对象创建完成。

三、 对象内存布局

1、对象头

对象头包含两部分，MarkWord和类型指针

(1) MarkWord

存放锁状态、GC 分代年龄、哈希码、线程持有锁，数据长度随虚拟机位数变化。

(2) 类型指针

类型指针指向方法区的类元数据，确定对象属于哪个类。

PS：类元数据是什么？

类元数据是描述一个类结构的所有信息。

• 类加载要靠它：校验类合法性、解析符号引用
• 多态、动态绑定靠它：找虚方法、执行重写逻辑
• instanceof 类型判断靠它
• 反射靠它：运行时拿字段、拿方法、创建对象
• GC 靠它：识别对象类型、对象内存布局
• 动态代理、Spring AOP、CGLib 都要读取、生成类元数据

2、实例数据

实例数据存放对象真正的成员变量信息，包括继承自父类的变量和自身定义变量，分配时有固定顺序规则。

PS：为什么分配时有固定顺序规则？（省内存 + 快访问 + 布局稳定）

• 实例数据按大小从大到小、父类优先子类排布，减少内存对齐填充、节省堆内存；
• 满足 CPU 硬件对齐，提升访问性能；
• 保证继承体系字段偏移固定，支持反射、Unsafe、序列化等底层依赖稳定的内存布局。

3、对齐填充

对齐填充不是必须存在的，HotSpot要求对象内存大小必须是8字节的整数倍，不够的话用填充字节补齐，单纯为了内存对齐。

4、指针压缩

(1) 为什么要有指针压缩

64 位 JVM：

• 原生类型指针、对象引用 都是 8 字节
• 对象头变大、整体对象占用变大、浪费内存、CPU 缓存效率低

(2) 核心原理

把 64 位地址指针 → 压缩成 32 位（4 字节）JVM 底层做地址偏移换算，用 4 字节就能寻址整个堆。

(3) 生效条件

• 64 位 JVM
• 堆内存小于 32GB超过 32G，4 字节寻址不够用，自动关闭指针压缩
• JDK6 及以后 默认开启

(4) 影响对象哪里

• 对象头 Klass 类型指针
  • 开启压缩：4 字节
  • 关闭压缩：8 字节
• 栈里引用变量、堆内对象引用 都从 8 字节变 4 字节
• 整个对象占用变小，节省堆内存、提升 GC 效率

(5) 开启/关闭对象头变化

• 开启指针压缩：对象头 = MarkWord (8B) + Klass 指针 (4B) = 12 字节，再做 8 字节对齐
• 关闭指针压缩：对象头 = MarkWord (8B) + Klass 指针 (8B) = 16 字节

四、 对象访问方式

1、句柄访问（Handle方式）

(1) 内存结构

• 栈帧里的 引用地址 → 指向句柄池中的句柄
• 句柄包含两个指针：
  • 一个指向 堆中的实例对象
  • 一个指向 方法区 / 元空间的类元数据

(2) 特点

• 稳定：对象如果被 GC 移动（标记整理、复制 GC），只改句柄里的对象地址，栈里的引用不需要改。
• 多了一层中间跳转，访问速度稍慢。
• 需要单独维护句柄池，占用额外内存。

(3) 优缺点

优点是对象移动时引用无需修改、稳定性强；缺点是多一次寻址、速度慢。

(4) 适用

老式虚拟机、部分语言虚拟机，HotSpot 默认不用。

2、直接指针（HotSpot 默认，速度快）

(1) 内存结构

栈中 引用 直接指向堆里的对象起始地址。对象内部有 Klass 指针，再指向类元数据。

(2) 特点

• 少一次寻址，访问速度更快，HotSpot 虚拟机默认采用。
• 对象被 GC 移动时，所有栈上的引用都要更新地址。
• 节省句柄池内存空间。

(3) 优缺点

优点是访问更快、节省内存；缺点是对象 GC 移动时需要更新所有引用地址。