Java 的内存结构（Memory Structure）是 Java 虚拟机（JVM）在运行时管理内存的方式，它直接关系到 Java 程序的性能和运行的稳定性。
Java 的内存结构可以总结为以下几个关键部分：
- 堆内存：存储对象和数组，是垃圾回收的主要目标。
- 栈内存：存储局部变量、方法调用栈帧，线程私有。
- 方法区：存储类的元数据、常量池、静态变量等，线程共享。
- 程序计数器：记录当前线程执行的位置。
- 本地方法栈：存储本地方法调用信息。
- 直接内存：操作系统本地内存，通过 NIO 进行快速数据传输。
1. 堆内存（Heap Memory）
堆内存是 Java 内存结构中最大的一部分，主要用于存储所有的对象实例和数组。在 Java 程序运行时，所有对象的创建都是在堆中分配内存。堆内存也是垃圾回收（Garbage Collection，GC）的主要工作区域。
堆内存可以进一步分为两个主要区域：
- 新生代（Young Generation）：
- 新生代又分为三个部分： 和两个相同大小的 （一般命名为 Survivor 0 和 Survivor 1 或 From 和 To）。
- 新生代存放的是新创建的对象，大部分对象在这里很快就会被标记为垃圾并被清理（因为大多数对象生命周期很短）。当对象经过多次 GC 后没有被回收，会从 Eden 区和 Survivor 区晋升到老年代。
- 老年代（Old Generation）：
- 老年代存储的是生命周期较长的对象，这些对象是从新生代中经过多次垃圾回收存活下来的。垃圾回收在老年代发生频率较低，但一旦发生，通常会是一个 “Major GC” 或 “Full GC”。
2. 栈内存（Stack Memory）
每个线程在 JVM 中都有自己的栈，栈内存用于存储局部变量、方法调用和线程信息。每当一个方法被调用时，都会为该方法创建一个栈帧（Stack Frame），这个栈帧包含了该方法的局部变量表、操作数栈和返回地址等信息。
- 栈中的变量存储的是基本数据类型（如 、）的值，以及对象的引用，而对象本身存储在堆中。
- 当方法调用完成后，栈帧将会出栈，内存将被释放。
栈内存的特点：
- 线程私有：每个线程都有自己的栈，栈内存不共享。
- 自动管理：栈的大小是有限的，如果栈空间不足，会抛出 。
3. 方法区（Method Area）
方法区（Method Area）是 JVM 内存的一部分，它存储了每个类的结构信息，如类的元数据、常量池、静态变量和类构造方法（即类的字节码）。方法区在 JVM 启动时被创建，是所有线程共享的。
- 类信息：当一个类第一次被加载时，它的类信息会被存储在方法区中。包括类名、父类名、修饰符、字段、方法和接口等。
- 常量池：常量池存储的是编译期生成的一些常量（如字符串常量、数字常量等），以及方法和字段的引用。
- 静态变量：方法区还保存类的静态变量和方法。
注意：在早期的 Java 实现中，方法区被称为永久代（Permanent Generation，PermGen），从 Java 8 开始，永久代被移除，取而代之的是元空间（Metaspace）。元空间位于本地内存而非堆内存中，解决了以前永久代中的内存限制问题。
4. 程序计数器（Program Counter, PC Register）
程序计数器是每个线程私有的，存储的是当前线程执行的字节码指令的地址。JVM 在多线程环境下，通过程序计数器来保存每个线程的执行状态（即每个线程执行到哪一条指令）。当线程切换时，程序计数器可以保证线程恢复执行时能够从正确的位置开始。
- 如果当前线程执行的是 Java 方法，程序计数器存储的是正在执行的字节码指令地址。
- 如果执行的是本地方法（Native Method），则程序计数器为空（Undefined）。
5. 本地方法栈（Native Method Stack）
本地方法栈用于存储本地方法调用的信息。当 Java 调用非 Java 语言编写的方法时，如 C 或 C++ 编写的代码，相关的信息会存储在本地方法栈中。
- 与 Java 栈类似，本地方法栈也是线程私有的。
- 如果调用的本地方法使用了 JNI（Java Native Interface），它的调用信息会被保存到本地方法栈中。
6. 直接内存（Direct Memory）
直接内存并不是 JVM 内存结构的严格一部分，但它经常被 JVM 使用。直接内存使用的是操作系统的本地内存，而不是堆内存。通过 ，Java 程序可以通过直接内存进行快速的数据传输，避免在堆内存和操作系统内存之间进行频繁的数据复制。
直接内存的大小并不受 JVM 堆内存大小的限制，而是受限于操作系统的总内存。
7. 垃圾回收机制（Garbage Collection, GC）
Java 的垃圾回收机制是 JVM 自动管理内存的重要部分，它负责清理不再使用的对象，释放堆内存空间。垃圾回收主要作用在堆内存上，GC 的触发和算法直接影响程序的性能。
常见的垃圾回收算法包括：
- 标记-清除（Mark-Sweep）：标记所有存活的对象，随后清理未标记的对象。
- 标记-整理（Mark-Compact）：标记存活对象后，通过整理移动对象来消除碎片化。
- 复制算法（Copying）：将存活的对象从一块内存复制到另一块内存，清理掉不再存活的对象。
下面以几个常见的场景为例，分别讲解不同内存区域的作用和内存的管理机制。
场景 1：基本数据类型与局部变量的分配（栈内存）
内存使用流程：
- 栈内存的分配：
- 当 方法开始执行时，JVM 会为该方法在栈内存中分配一个栈帧（Stack Frame），该栈帧用来存储方法的局部变量表、操作数栈和返回地址。
- 在局部变量表中，、 和 三个变量都是 类型，属于基本数据类型，它们的值分别存储在栈内存中，而不是堆内存。
- 方法执行：
- JVM 在栈帧中执行 ，将 10 存储在局部变量 的位置。
- 同理， 也存储在栈中。
- 计算 后， 的值为 30，存储在栈帧中。
- 方法结束：
- 当 方法执行完成时，栈帧被移除，分配给 方法的内存也被释放。这些局部变量随着方法的结束而消失。
场景 2：对象的创建与垃圾回收（堆内存）
内存使用流程：
- 对象创建（堆内存分配）：
- 在 方法开始时，JVM 在栈中为 方法创建一个栈帧，存储局部变量 和 。
- 当执行 时：
- 关键字表示需要在堆内存中创建一个新的 对象。
- JVM 在堆内存中分配空间，存储 对象的实例（包括 字段）。
- 存储在栈内存中，它只是对堆中 对象的引用，指向堆中分配的 对象。
- 同样地， 是对 对象的引用。
- 对象的生命周期和垃圾回收：
- 当 调用 类的 方法时，JVM 会通过 的引用找到堆内存中的 对象，执行方法。
- 方法结束后， 和 仍然在栈中存活，但一旦 方法结束，这些对象的引用会失效。
- 垃圾回收机制（GC）将会负责回收堆中不再被引用的 对象（即当没有任何栈帧中指向这些对象时，它们将被标记为垃圾，并在适当的时候回收内存）。
场景 3：静态变量与方法区的使用
内存使用流程：
- 静态变量的存储（方法区/元空间）：
- 类的 是一个 变量，它的内存分配不同于实例变量。静态变量存储在方法区（在 Java 8 之后是元空间），该区域是所有线程共享的，而不是属于某个对象的实例。
- 当 JVM 加载 类时， 变量被分配在方法区，并初始化为 0。
- 方法执行：
- 每次调用 ，静态方法在栈中被调用（创建栈帧）， 变量被增加，但它始终位于方法区，而不是堆中或栈中。
- 静态变量的生命周期与类的生命周期一致，类在程序执行过程中只加载一次， 也只分配一次，无论创建多少个 实例， 的值都不会改变位置。
场景 4：字符串常量池与方法区
内存使用流程：
- 字符串常量池：
- 将字符串 分配到方法区的字符串常量池中。Java 会在加载类时检查常量池中是否已经存在该字符串，如果存在，直接返回引用；如果不存在，则在常量池中创建该字符串。
- 当 执行时，JVM 检查常量池，发现 java 并发基础之内存模型 已经存在，因此 和 都引用同一个常量池中的字符串对象。
- 堆内存中的字符串对象：
- 这一行创建了一个新的字符串对象，它被分配到堆内存中，因此 引用的是堆中的对象，而不是常量池中的字符串。
- 比较结果：
- 返回 ，因为它们引用的是同一个常量池中的字符串。
- 返回 ，因为 引用的是堆中的对象，而不是常量池中的那个对象。
垃圾回收的触发与内存管理
垃圾回收（Garbage Collection，GC）是 Java 内存管理中的重要机制，它负责清理那些不再被引用的对象，从而释放堆内存。常见的垃圾回收机制包括：
- 新生代 GC（Minor GC）：主要作用于新生代（Eden 和 Survivor 区域），处理短生命周期的对象。
- 老年代 GC（Major GC 或 Full GC）：主要作用于老年代，回收生命周期较长的对象。
- GC 的触发条件：当堆内存不足，特别是 Eden 区满时，GC 会被触发来回收无用的对象。
通过合理的垃圾回收策略，JVM 保证了堆内存的有效利用，避免内存泄漏和程序崩溃。
总结
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