二、JVM内存模型

JVM内存模型

以Math类为例，体会下图JVM内存模型

public class Math {
    public static final int initData = 666;
    public static User user = new User();

    public int compute(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

JVM内存模型如下：

• 堆和方法区都是线程共享的（上图JVM中淡橙色方块表示）；
• 栈、程序计数器、本地方法栈都是线程私有的（上图JVM中紫色方块表示）；
• 字节码执行引擎负责：执行字节码指令、修改程序计数器用于上下文切换找到指定代码行、执行gc等工作；
• 元空间是方法区的一种实现，它将方法区中的元数据存储在直接内存中，而不是在堆内存中；
• 堆和方法区都会导致full gc，也就是说直接内存不够时也会full gc；
• 动态链接：将方法调用的符号转为内存地址，从而可以找到对应的对象或其他方法；
• 方法出口：记录方法结束回到上一个栈帧后从哪里继续执行；
• 本地方法栈：用于执行本地方法（如C/C++编写的方法），栈帧与Java栈帧不同，栈帧中包含了本地变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息
• 如上图局部变量表中的math的值是分配在堆上的math对象的地址值，所以说栈会有很多指针指向堆中的对象。
• 在Math类中可以看到user静态变量，因此会分配到方法区，但是new user()对象还是会分配到堆中，类似这种情况也会使得方法区有很多指针指向堆。

在minor gc过程中对象挪动后，引用如何修改？

1. 对象复制机制

对象在堆内部挪动的过程其实是复制，原有区域对象还在，一般不直接清理。JVM内部清理过程只是将对象分配指针移动到区域的头位置即可：

• 扫描S0区域，扫到GC Root引用的非垃圾对象时，将这些对象复制到S1或老年代
• 扫描完成后，将S0区域的对象分配指针移动到区域的起始位置
• S0区域之前的对象并不直接清理，当有新对象分配时，原有区域里的对象才会被覆盖

2. 引用更新机制

Minor GC在根扫描过程中会记录所有被扫描到的对象引用（在年轻代这些引用很少，因为大部分都是垃圾对象不会扫描到），如果引用的对象被复制到新地址了，最后会一并更新引用指向新地址。

具体的引用更新过程：

第一阶段：标记和复制

1. 从GC Root开始遍历所有可达对象
2. 将存活对象从Eden区和From Survivor区复制到To Survivor区或老年代
3. 在复制过程中，JVM会维护一个转发表（Forwarding Table）

第二阶段：引用更新

1. 遍历所有已知的引用位置（栈、方法区、其他堆对象）
2. 检查这些引用是否指向已移动的对象
3. 如果指向已移动对象，则根据转发表更新引用地址

3. 转发表（Forwarding Table）机制

转发表是JVM用来跟踪对象移动的关键数据结构：

• 记录映射关系：原地址 → 新地址
• 快速查找：通过哈希表或类似结构实现O(1)查找
• 临时存在：只在GC过程中存在，GC完成后释放

4. 引用更新的范围

需要更新引用的位置包括：

1. 栈中的引用：局部变量表中的对象引用
2. 方法区中的引用：静态变量、常量池中的引用
3. 堆中的引用：其他对象的字段引用
4. JNI引用：本地方法中的对象引用

5. 性能优化策略

记忆集（Remembered Set）：

• 记录跨代引用关系，避免全堆扫描
• 只需要更新记忆集中记录的引用位置
• 大大减少了引用更新的工作量

并发更新：

• 在某些GC算法中（如G1），引用更新可以并发进行
• 减少STW（Stop The World）时间

6. 示例说明

// GC前的状态
Object obj1 = new Object(); // 地址：0x1000
Object obj2 = new Object(); // 地址：0x2000
obj1.field = obj2;          // obj1引用obj2

// Minor GC过程中
// 1. obj1复制到新地址：0x3000
// 2. obj2复制到新地址：0x4000
// 3. 更新引用：obj1.field = 0x4000

// GC后的状态
// obj1现在在地址0x3000
// obj2现在在地址0x4000
// obj1.field正确指向0x4000

这种机制确保了在对象移动后，所有引用都能正确指向新的内存位置，保证了程序的正确性。

关于元空间（Metaspace）和方法区（Method Area）的关系

1. 方法区的概念

• 方法区是JVM规范中定义的一个逻辑区域，用于存储类的元数据信息
• 它是线程共享的内存区域，存储了每个类的结构信息，如：
  • 类的字段和方法数据
  • 方法的字节码
  • 常量池信息
  • 类和方法的访问修饰符

2. 元空间的本质

• 元空间是HotSpot JVM对方法区的具体实现方式
• 在JDK 8及以后版本中，元空间取代了之前的永久代（PermGen）
• 它将类的元数据存储在直接内存（Native Memory）中，而非Java堆内存

3. 直接内存 vs 堆内存的区别

堆内存存储特点：

• 受JVM管理，有明确的大小限制（-Xmx参数控制）
• 参与垃圾回收过程
• 内存分配和释放由JVM控制

直接内存存储特点：

• 属于操作系统内存，不受JVM堆大小限制
• 默认情况下只受操作系统可用内存限制
• 可以动态扩展，避免了永久代的内存溢出问题

4. 这种设计的优势

• 避免OOM问题：不再受限于固定的永久代大小
• 更好的内存管理：元数据的生命周期与类加载器绑定，更容易管理
• 性能提升：减少了堆内存的压力，GC过程更加高效

因此，这句话准确地描述了元空间作为方法区实现的本质特征：它改变了元数据的存储位置，从堆内存迁移到直接内存，从而解决了传统永久代的一些限制。