JVM所管理内存区域的划分以及内存溢出异常

        前言：在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，Java程序员不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free 代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，看起来挺美好的。但正是因为如此，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，就会变得特别麻烦，所以接下来将详细讲述Java虚拟机内存的各个区域，以及可能产生的问题。

        Java虚拟机在执行Java过程中，会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域，如下：

        

1、程序计数器（Program Counter Register）

        介绍：程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行字节码的行号显示器。

        作用：字节码解释器工作时，得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。

        说明：

        （1）由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在如何一个时刻，一个处理器只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每一条线程都需要一个独立的程序计数器，它们互不影响，独立存储，该类内存区域称为“线程私有”的内存。

        （2)如果线程正在执行的是一个Java方法，则程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果执行的是Native 方法（Java进行调用非Java代码的接口），则程序计数器记录为空（Undefined）。

        （3）程序计数器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。        

2、Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

        介绍：与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，其生命周期等同于线程。Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个Java方法在执行的时候，会创建一个栈帧（Stack Frame），这个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

        作用：如上所述，Java虚拟机是用来描述Java方法执行的内存模型。

        说明：

        （1）  我们经常会把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种方法比较的粗糙，实际上对于Java内存区域的划分远比这个复杂。其中所指的栈就是讲的Java虚拟机栈，或者是Java虚拟机栈中的局部变量表部分。

        （2）Java虚拟机栈中有一部分内存是局部变量表部分，局部变量表是存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、int等等）、对象引用和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

        （3）在局部变量表中，64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间，其余的数据类型只占用1个。而且局部变量表所需的内存空间在编译期间就完成分配。当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不改变其大小。

        （4）在Java虚拟机规范中，对Java虚拟机栈区域规定了两种异常状态：①如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常。②如果虚拟机可以动态扩展，但如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

3、本地方法栈（Native Method Stack）

        说明：

        （1）本地方法栈与虚拟机发挥的作用是非常类似的，区别是：①Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（即字节码）服务。②本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

        （2）与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4、Java堆（Java Heap）

        介绍：Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时就被创建。对于大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机所管理的内存中的最大一块。

        作用：Java堆内存区域唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。（ps：在Java虚拟机规范中描述的是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸技术逐渐成熟，所有的对象都分配在堆上也渐渐不是那么“绝对”）。

        说明：

        （1）Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为“GC堆”。

        （2）从垃圾回收角度：由于现在收集器基本都采用分析收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代，再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

        （3）从内存分配的角度看：线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。

        （4）以上的多种划分方式，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都依然是对象实例。进一步的划分是为了更快地分配内存或者说回收内存。

        （5）根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，例如磁盘。如果Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

5、方法区（Method Area）

        介绍：方法区与Java堆是一样的，是各个线程共享的内存区域。在Java虚拟机规范中，把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它也被叫作Non-Heap（非堆），目的是与Java堆区分开来。

        作用：用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

        说明： 

        （1）Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。但只是相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，也不是数据进入了方法区就是“永久存在了”。

        （2）方法区的内存回收目标主要是针对常量池的回收和类型的卸载，但一般来说，这个区域的回收比较难以令人满意。如果未对此区域完全回收将导致内存泄漏，有非常严重的后果。

        （3）根据Java虚拟机规范的规定，但方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryOutError异常。

6、运行时常量池（Runtime Constant Pool）

        介绍：运行时常量池是方法区的一部分。

        作用：在Class文件中，除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

        说明：

        （1）对于运行时常量，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域。

        （2）运行时常量相对于Class文件常量池的另外一个重要特征就是具备多态性，Java语言并不要求预置入Class文件常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中。

        （3）运行时常量池，作为方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryOutError异常。