以计数器程序为例，简析JVM内存模型中各部分的工作方式

以计数器程序为例，简析JVM内存模型中各部分的工作方式

示例程序：简单的计数器程序

public class Counter {private int count = 0;public void increment() {count++;}public int getCount() {return count;}public static void main(String[] args) {Counter counter = new Counter();counter.increment();System.out.println("Count: " + counter.getCount());}
}

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一、类加载阶段（方法区）

1. 加载：

   • JVM通过类加载器查找Counter.class字节码文件
   • 对于主类Counter，通常由应用类加载器(AppClassLoader)加载

2. 验证：

   • 检查字节码是否符合规范（比如魔数0xCAFEBABE）
   • 验证count++操作是否合法

3. 准备：

   • 为类变量分配内存并初始化默认值
   • count被初始化为0（不是程序中的显式赋值）

4. 解析：

   • 将符号引用（如System.out）转换为直接引用

5. 初始化：

   • 执行类构造器<clinit>()（本例中没有静态变量/块，不生成）

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二、内存分配（堆 & 栈）

1. 主线程启动（线程私有区域）

• 创建主线程的程序计数器（PC）和Java虚拟机栈
• PC初始指向main()方法的第一条指令

2. 执行main方法（栈帧详解）

public static void main(String[] args) {Counter counter = new Counter();  // 栈帧1counter.increment();              // 栈帧2System.out.println(...);          // 栈帧3
}

栈帧1：new Counter()

• 局部变量表：存储args和counter引用
• 操作数栈：

  操作数栈步骤：
  1. new #2              // 在堆中分配内存
  2. dup                 // 复制引用
  3. invokespecial #3    // 调用构造方法<init>
  4. astore_1            // 存储引用到局部变量counter
  

• 堆内存变化：
  • 在Eden区创建Counter对象实例
  • 对象头包含类元数据指针（指向方法区）
  • 实例数据区存储count=0（准备阶段后的显式初始化）

栈帧2：increment()调用

• 动态链接：指向方法区的increment()方法字节码
• 操作数栈执行count++：

  1. aload_0             // 加载this引用
  2. dup                 // 复制引用
  3. getfield #4         // 读取count值到栈顶 (0)
  4. iconst_1            // 压入常量1
  5. iadd                // 栈顶两数相加 (0+1=1)
  6. putfield #4         // 写回count字段
  

• 堆内存变化：Counter对象的count字段更新为1

栈帧3：println()调用

• 涉及字符串拼接（触发StringBuilder操作）
• 在堆中创建"Count: 1"字符串对象

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三、内存模型关键点示例

1. 对象内存布局（64位JVM示例）

Counter对象实例（堆中）：
+-------------------+
| 对象头 (12字节)    |  # MarkWord + 类指针
+-------------------+
| count (4字节)     |  # 实际值为1
+-------------------+
| 对齐填充 (可能0字节)|
+-------------------+

2. 方法区存储示例

Counter类信息（方法区）：
- 类全名：org/example/Counter
- 字段信息：count (I)
- 方法字节码：- increment()：aload_0, dup, getfield, ...- getCount()：aload_0, getfield, ireturn
- 运行时常量池：#4 = Fieldref #2.#3     // Counter.count:I#5 = String #6         // "Count: "

3. 多线程场景演示

如果多个线程调用counter.increment()：

// 线程1工作内存：count=1 → 读取→计算→写入2
// 线程2工作内存：count=1 → 读取→计算→写入2

问题：非原子操作导致结果可能为2而不是3
解决方案：

• 加synchronized（在栈帧中通过monitorenter/monitorexit实现）
• 使用AtomicInteger（基于CAS的CPU原子指令）

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四、垃圾回收示例

1. 内存状态执行后

堆内存：
Eden区：["Count: 1"字符串对象]
Survivor区：[Counter对象]（年龄=1）
老年代：（空）

2. GC过程模拟

• Minor GC：
  • 扫描Eden区，字符串对象无引用→回收
  • Counter对象被移到Survivor区（年龄+1）
• Full GC（假设多次调用后）：
  • Counter对象年龄达15→晋升老年代

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五、可视化执行流程

[方法区] Counter类信息↑
[堆] Counter实例 ←→ [主线程栈]局部变量表：[counter=0x3E4]操作数栈：[执行iadd指令]动态链接：指向increment()字节码

通过这个例子可以看到：

1. 类信息存储在方法区
2. 对象实例在堆中分配
3. 方法调用通过栈帧实现
4. 线程通过工作内存与主内存交互
5. GC自动管理堆内存生命周期

这就是JVM运行Java程序的完整过程，各内存区域协同工作，共同支持程序的执行。