写在 2017 年的笔记。当年 Java 8 已经普及，方法区从「PermGen」换成了「Metaspace」，G1 也终于能稳定扛生产了。这一篇先把 JVM 内存区域讲清楚。
一、JVM 是什么
JVM（Java Virtual Machine），一种用于计算设备的规范。它是虚构出来的计算机——通过在真实计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现。引入 JVM 后，Java 语言在不同平台上运行时不需要重新编译，Java 语言编译程序只需要生成在 JVM 上运行的目标代码（字节码）就可以在多种平台运行。
换句话说：JVM 是 Java 跨平台能力的核心，也是 Java 程序员必须搞懂的基础。
二、JVM 模块构成
JVM 大致可以拆成五块：
- 类加载子系统：把
.class文件加载进内存 - 运行时数据区（内存空间）：线程共享 + 线程私有两块
- 执行引擎：对字节码指令进行解释执行 / JIT 编译执行
- 本地方法接口（JNI）：调用 native 方法（C/C++ 实现）
- 垃圾收集模块（GC）：自动管理堆内存
这一篇重点讲「运行时数据区」——它是我们排查内存问题（OOM / 栈溢出 / 性能瓶颈）的核心。
三、运行时数据区全景
线程共享：堆（Heap）、方法区（Method Area / Metaspace） 线程私有：PC 寄存器、虚拟机栈、本地方法栈
这是排查 JVM 问题时第一张要画的图——问题出在哪个区，决定了你用什么工具。
四、堆（Heap）
堆区是所有线程共享的区域。分为 Young 区 和 Old 区：
- Young 区：新创建的对象先分配在这里。Young 区又分为：
- Eden 区：绝大多数对象「朝生夕死」的地方
- Survivor 区：分 S0 和 S1 两个大小相等的区域，同一时间只有一个区域有数据
- Old 区：经过多次 GC 仍然存活的对象晋升到这里
「S0/S1 同时只有一个有数据」是为了解决 Survivor 区碎片化问题。GC 时把存活对象从 S0 复制到 S1，然后清空 S0——下个周期反过来。这种算法叫「复制算法」，对应「年轻代」的场景。
五、虚拟机栈（JVM Stack）
每当启动一个新线程时，Java 虚拟机都会为它分配一个 Java 栈。Java 栈以帧（Stack Frame）为单位保存线程的运行状态。
虚拟机只会直接对 Java 栈执行两种操作：以帧为单位的压栈和出栈。
5.1 栈帧的组成
每个方法从调用到执行完成，对应一个栈帧的入栈到出栈过程。一个栈帧包含四部分：
| 部分 | 作用 |
|---|---|
| 局部变量表（Local Variable Table） | 存放方法参数、方法内定义的局部变量 |
| 操作数栈（Operand Stack） | 字节码指令的工作区，方法的参数传递、运算都通过它 |
| 动态链接（Dynamic Linking） | 指向运行时常量池的方法引用，支持多态 |
| 方法返回地址（Return Address） | 方法正常返回或异常退出时，回到调用方的位置 |
5.2 局部变量表
存放基本数据类型、对象引用、returnAddress 类型（指向一条字节码指令的地址）。
其中：
- 64 位长度的
long和double类型的数据会占用 2 个局部变量空间（slot），其余数据类型只占用 1 个 - 静态方法和实例方法对应的局部变量表基本类似
- 区别：实例方法的表中，第一个位置存放的是当前对象的引用（即
this）
5.3 操作数栈
也被称为操作栈。Java 没有寄存器，所有的参数传递都是用操作数栈。
同局部变量表一样，也被组织成一个以字长为单位的数组。但与局部变量表不同，它不是通过索引来访问，而是通过标准的栈操作：压栈和出栈。
比如某一指令将值压到操作数栈，另一指令就能弹栈获取这个值。虚拟机在操作数栈中存储数据的方式和在局部变量区中是一样的：如 int、long、float、double、reference 和 returnType 等。
一个小贴士：i++ 和 ++i 的字节码差异仅在
iload（压栈）和iinc（自增）的顺序上——前者先iload后iinc，后者先iinc后iload。两者都不是原子操作，在多线程下都需要同步（synchronized或AtomicInteger）。它们之间不存在”可见性差异”——这是网上流传的一个误解。
5.4 动态链接
栈帧内部的一个引用，指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。支持多态调用——子类重写父类方法时，invokevirtual 指令通过动态链接决定调用哪个版本。
六、程序计数器（PC Register）
程序计数器是一块较小的内存，可以看做是当前线程所执行的字节码行号指示器。
字节码解释器工作的时候，就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
- 如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址
- 如果正在执行的是 Native 方法，这个计数器则为空（Undefined）
- 此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域——它随线程启动而启动，线程结束即销毁
七、本地方法栈（Native Method Stack）
与 Java 虚拟机栈相似，为虚拟机使用的 Native 方法服务。
- 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务
- 本地方法栈为虚拟机使用到的 Native 方法服务
在 HotSpot 虚拟机中，本地方法栈和虚拟机栈合二为一。其他虚拟机（如 Sun HotSpot 之外的部分 JVM）可能仍然分开。
八、堆和栈的区别
| 维度 | 堆 | 栈 |
|---|---|---|
| 管理方式 | 需要 GC 回收 | 自动释放（方法出栈即销毁） |
| 空间大小 | 大（GB 级别） | 小（MB 级别） |
| 碎片相关 | 碎片较多 | 碎片远小于堆 |
| 分配方式 | 只支持动态分配 | 支持静态 + 动态分配 |
| 效率差别 | 低 | 高（仅次于寄存器） |
| 线程归属 | 线程共享 | 线程私有 |
「栈上分配」是 JVM 优化手段——通过逃逸分析判定对象不会逃逸出方法时，把对象直接拆成标量在栈帧上分配，从而不进入堆。这个话题下一篇细讲。
九、小结：JVM 内存区域速记
| 区域 | 线程归属 | 抛错 | 调优关键参数 |
|---|---|---|---|
| 程序计数器 | 私有 | 不会 | — |
| 虚拟机栈 | 私有 | StackOverflowError / OOM | -Xss |
| 本地方法栈 | 私有 | StackOverflowError / OOM | — |
| 堆 | 共享 | OOM | -Xms / -Xmx / -Xmn |
| 方法区 | 共享 | OOM | -XX:MetaspaceSize / -XX:MaxMetaspaceSize |
下一篇「一文拿下 JVM（中）：参数配置与常用命令」将围绕如何给这块内存配参数展开——
-Xms该设多大、-Xmn该留多少、G1 该不该开。