JVMNotes

第 04 章：运行时数据区

zjc 于 2026-01-04 发布

这是《JVM 零基础实战指南》的独立章节版。本章从概念、实操和生产排查三个视角展开，代码块保留了原书可直接运行的版本。 运行时数据区描述 JVM 内存的逻辑划分。堆只是其中一部分，进程 RSS 还包括 Metaspace、线程栈、Code Cache、GC 开销、Direct Memory 和 Native 库。理解这些区域，才能解释堆正常但容器 OOM、线程过多、类元数据溢出和 JIT 代码缓存满。

4.1 内存全景

JVM Process
  |-- Heap
  |   |-- Young
  |   +-- Old / Regions
  |-- Metaspace
  |-- Thread Stacks
  |-- Code Cache
  |-- GC Structures
  |-- Direct Memory
  |-- Native Libraries
+-- OS overhead

粗略关系：

容器或 systemd 内存上限
  >= 堆 + Metaspace + 线程栈 + Direct Memory + Code Cache + 其他 native

不同 GC 和 JDK 版本的 native 开销不同，必须通过实测和指标确认。

4.2 堆

查看：

jps -l
jstat -gc <pid> 1000
jstat -gcutil <pid> 1000
jcmd <pid> VM.flags

示例参数：

java -Xms2g -Xmx2g -XX:+UseG1GC -jar app.jar

分代视角：

Heap
  |-- Eden
  |-- Survivor 0
  |-- Survivor 1
  +-- Old

G1、ZGC、Shenandoah 将堆划分为 Region 或支持不同布局，逻辑分代视角不能完全等价于物理布局。

常见 OOM：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

原因：

  1. 堆过小；
  2. 内存泄漏；
  3. 大查询；
  4. 批量加载；
  5. 缓存无上限；
  6. 流量突增；
  7. GC 配置不匹配。

4.3 Metaspace

Metaspace 存储类元数据，位于堆外，默认可伸缩。

参数：

-XX:MetaspaceSize=256m
-XX:MaxMetaspaceSize=512m

查看：

jstat -gcmetacapacity <pid>
jcmd <pid> VM.metaspace

增长来源：

  1. 加载类过多；
  2. 动态代理；
  3. 脚本引擎；
  4. 反射生成类；
  5. 热部署 ClassLoader 泄漏；
  6. Agent 或 AOP 增强。

OOM：

java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

分析：

jcmd <pid> GC.class_histogram
jcmd <pid> VM.classloader_stats
jcmd <pid> VM.classloaders

4.4 虚拟机栈

每个线程创建时分配栈空间。

参数：

-Xss512k

栈帧：

Stack Frame
  |-- Local Variable Table
  |-- Operand Stack
  +-- Frame Data

StackOverflowError：

public class StackOverflowDemo {
    public static void main(String[] args) {
        recurse(0);
    }

    private static void recurse(int depth) {
        recurse(depth + 1);
    }
}

常见原因：

  1. 无终止递归；
  2. 递归深度过大；
  3. 框架调用链深；
  4. JSON 深层嵌套；
  5. 栈太小。

线程数过多：

线程数 * -Xss 大约等于线程栈总量

它不是唯一因素，但线程失控会同时消耗 CPU、内存和调度资源。

4.5 程序计数器

每个线程都有独立的 PC Register，记录当前字节码执行位置。线程切换后恢复执行依赖它。

特点：

  1. 线程私有；
  2. 占用很小；
  3. 执行 native 方法时值可能为 undefined；
  4. 通常不是排障重点。

4.6 本地方法栈

本地方法栈服务 native 方法。HotSpot 中通常与虚拟机栈实现合并，具体由虚拟机实现决定。

相关风险：

  1. JNI 泄漏；
  2. native 库崩溃；
  3. 堆外内存不足；
  4. UnsatisfiedLinkError；
  5. 压缩或加密库版本不匹配。

排查 native 问题时需要 core dump、native 栈和对应库符号。

4.7 直接内存

Direct Memory 常用于 NIO Buffer、网络框架、压缩和数据库驱动。

参数：

-XX:MaxDirectMemorySize=1g

示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(16 * 1024 * 1024);
System.out.println(buffer.capacity());

查看：

jcmd <pid> VM.flags
jcmd <pid> VM.native_memory summary

VM.native_memory 需要启用 NativeMemoryTracking：

java -XX:NativeMemoryTracking=summary -jar app.jar

OOM：

java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

方向：

  1. Netty 池化配置；
  2. 直接内存上限；
  3. Buffer 释放；
  4. 容器总内存；
  5. 泄漏检测。

4.8 Code Cache

Code Cache 存储 JIT 编译后的本地代码。

参数：

-XX:ReservedCodeCacheSize=256m

查看：

jcmd <pid> Compiler.codecache
jstat -printcompilation <pid>

满了之后可能：

  1. 退回解释执行；
  2. 性能下降；
  3. 出现 CodeCache is full 相关信息。

常见来源：

  1. 加载类过多；
  2. 动态代理；
  3. 大量生成代码；
  4. Code Cache 配置过小。

4.9 运行时内存查看

JCMD：

jcmd <pid> VM.uptime
jcmd <pid> GC.heap_info
jcmd <pid> VM.flags
jcmd <pid> VM.metaspace
jcmd <pid> VM.native_memory summary

JSTAT：

jstat -gc <pid> 1000
jstat -gcutil <pid> 1000
jstat -gccapacity <pid>
jstat -gcmetacapacity <pid>

操作系统视角：

ps -o pid,rss,vsz,cmd -p <pid>
cat /proc/<pid>/smaps_rollup
pmap -x <pid>

4.10 内存分配预算

示例：容器 limit 3Gi。

Heap              1.8G
Metaspace         256M
Thread stacks     300 * 1M = 300M
Direct memory     256M
Code cache        128M
GC/native 余量     200M 左右

建议：

  1. Java 17 / 21 使用 MaxRAMPercentage；
  2. 预留堆外和系统内存；
  3. 限制线程数；
  4. 监控 RSS；
  5. 观察容器 OOMKilled；
  6. 不要把 -Xmx 设为容器 limit。

示例：

java -XX:MaxRAMPercentage=65.0 -jar app.jar

4.11 生产排障

堆正常但容器被杀

kubectl describe pod <pod>
cat /sys/fs/cgroup/<path>/memory.events
jcmd <pid> VM.native_memory summary

方向：Direct Memory、线程栈、Metaspace、native 库、RSS 与 limit。

线程数持续增长

jstack <pid> | grep '^"' | wc -l
jcmd <pid> Thread.print | grep '^"' | wc -l
ps -T -p <pid> | wc -l

检查线程池无界队列、重复创建执行器和资源未关闭。

Metaspace 持续增长

jcmd <pid> GC.class_histogram | head -50
jcmd <pid> VM.classloader_stats

关注动态生成类和旧 ClassLoader。

本章小结

运行时数据区包括堆、Metaspace、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器，以及 Code Cache、Direct Memory 等 native 区域。-Xmx 只是堆上限，进程内存必须按完整预算设计。生产排障要同时看 JVM 内部指标和操作系统 RSS / cgroup。

思考题

  1. JVM 进程内存为什么大于 -Xmx？
  2. Metaspace 增长常见原因有哪些？
  3. StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 有什么区别？
  4. Direct Memory 常用于哪些组件？
  5. 容器 limit 4Gi 时，如何设置堆和堆外预算？