1. JVM 运行时数据区有哪些？每个区域的作用是什么？

标准答案

JVM 运行时数据区主要包括 方法区（Metaspace）、堆（Heap）、虚拟机栈（Java Stack）、本地方法栈（Native Stack）、程序计数器（PC Register） 五个部分。它们各自承担不同的存储职责：

1. 方法区（Metaspace）：存储类元信息（Class Metadata）、常量池（Runtime Constant Pool）、静态变量等，JDK 8 之后移至本地内存。
2. 堆（Heap）：存放对象实例，是 GC 主要管理的区域，划分为 年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
3. 虚拟机栈（Java Stack）：存放方法调用的栈帧，包括局部变量表、操作数栈、动态链接等，线程私有。
4. 本地方法栈（Native Stack）：用于执行 JNI（Java Native Interface）调用的 C/C++ 代码，与虚拟机栈类似但执行 native 方法。
5. 程序计数器（PC Register）：记录当前线程执行的字节码行号，多线程环境下，保证每个线程有独立的 PC 寄存器。

答案解析

JVM 运行时数据区划分的目的是 满足 Java 代码执行过程中不同类型数据的存储需求，同时优化 GC 处理，提升性能。

1. 方法区（Metaspace）

作用：

• 存储 类的元数据（类名、字段、方法、访问修饰符）、运行时常量池、静态变量等。
• 运行时动态生成的类（如 Proxy 代理类）也存储在方法区。
• 线程共享，JDK 8 以前叫 永久代（PermGen），JDK 8 之后改为 元空间（Metaspace），使用 本地内存 代替堆内存。

JDK 7 vs JDK 8 变更：

• JDK 7 及之前：PermGen（受 JVM 选项 -XX:MaxPermSize 限制）。
• JDK 8 及之后：Metaspace（受 -XX:MaxMetaspaceSize 控制，可动态扩展）。

为什么移除永久代？

• 受 Heap 限制，难以调整，容易 OutOfMemoryError。
• Metaspace 使用本地内存，减少 Full GC 的压力。

2. 堆（Heap）

作用：

• 存储所有 Java 对象实例，几乎所有 new 创建的对象都会分配在堆中。
• 线程共享，由 GC 负责回收，按生命周期划分为 新生代（Young Gen）和老年代（Old Gen）。

内部分代（分区策略）：

• Eden 区：新对象大多分配在 Eden 区。
• Survivor 区（S0、S1）：存活对象从 Eden 复制到 Survivor，经过多次复制晋升到老年代。
• 老年代：长期存活的大对象、经历多次 GC 仍存活的对象会被放入老年代。

GC 策略：

• Minor GC：发生在年轻代，回收短生命周期对象。
• Major GC / Full GC：回收老年代，清理长期存活对象，速度慢。

3. 虚拟机栈（Java Stack）

作用：

• 存储 方法调用的栈帧，每个方法调用都会创建一个新的栈帧。
• 栈帧包括 局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址 等信息。
• 线程私有，生命周期随线程销毁。

局部变量表：

• 存储 基本数据类型（int、long、float、double）和对象引用（reference）。
• 受 -Xss 影响，超过限制会导致 StackOverflowError。

常见问题：

• 递归过深导致 StackOverflowError：栈帧超出栈大小限制。
• 过小 -Xss 会限制并发线程数：栈空间越大，可创建的线程数越少。

4. 本地方法栈（Native Stack）

作用：

• 专门为执行 Native 方法（JNI 调用）而设计。
• 存储 C/C++ 方法的调用栈，线程私有。
• 可能抛出 StackOverflowError 或 OutOfMemoryError。

5. 程序计数器（PC Register）

作用：

• 记录当前线程执行的字节码指令地址。
• 线程私有，保证多线程切换时，每个线程能恢复到正确的执行位置。
• 如果执行的是 native 方法，则 PC 计数器为空。

常见错误

1. OutOfMemoryError: Java heap space

   • 发生在堆（Heap），通常是对象过多、没有及时 GC。
   • 优化方法：使用 -Xmx 限制最大堆大小，结合 GC 调优。

2. OutOfMemoryError: Metaspace（JDK 8 及以后）

   • 由于 Metaspace 过大，导致本地内存耗尽。
   • 优化方法：调整 -XX:MaxMetaspaceSize，减少动态生成类（如 CGLIB 代理）。

3. StackOverflowError

   • 递归调用过深，导致 Java 栈空间耗尽。
   • 优化方法：优化递归算法、增加 -Xss 线程栈大小。

最佳实践

1. 堆优化（Heap）

   • 调整 -Xms 和 -Xmx，保证合理的内存分配，避免频繁 GC。
   • 对象池化，减少不必要的对象创建（如 ThreadLocal）。

2. 方法区优化（Metaspace）

   • 限制动态生成类（如 CGLIB、Javassist 代理）。
   • 调整 -XX:MetaspaceSize，避免 Metaspace 过大占用本地内存。

3. 栈优化（Stack）

   • 递归改为循环，避免 StackOverflowError。
   • 调整 -Xss 以适应深度递归。

深入追问

• 为什么 JDK 8 移除了永久代（PermGen），而采用 Metaspace？
• JVM 的 TLAB（Thread Local Allocation Buffer）如何优化对象分配？
• GC 是如何管理堆内存的？CMS 和 G1 的区别是什么？

相关面试题

• JVM 堆（Heap）和栈（Stack）的区别是什么？
• GC 在方法区（Metaspace）如何回收无用类？
• JVM 如何通过 -XX:+UseG1GC 来优化 GC ？