深入理解JAVA虚拟机（一）内存区域与内存溢出异常

一.JAVA虚拟机内存区域的划分

    

       

JAVA虚拟机运行时数据区

二.运行时数据区域

1.程序计数器

（1）是一块较小的内存空间，其作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解析器工作时通过改变程序计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。程序的分支、循环、跳转、异常处理以及线程恢复等基础功能都是依赖程序计数器来完成。
（2）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片来实现，在任何一个时刻，一个处理器只会执行一条线程指令，因此，为了确保线程切换之后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，因此程序计数器是线程私有的内存。
（3）如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值为空（Undefined）。程序计数器是java虚拟机中唯一一个没有规定任何内存溢出OutOfMemoryError的内存区域。

2.JAVA虚拟机栈：栈帧是方法运行期的基础数据结构栈容量可由-Xss参数设定

（1）与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。每一个方法被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从入栈到出栈的过程。
（2）常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗糙，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。其中所指的“堆”在后面会专门讲述，而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。
（3）局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，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，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。主要存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用（reference类型）和returnAddress类型

（4）这个区域规定了两种异常情况：<1>线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，抛出StackOverFlowError异常<2>如果虚拟机可以实现动态扩展，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：栈容量可由-Xss参数设定

虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

4.JAVA堆：可通过参数 -Xms 和-Xmx设置  

（1）Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的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。

（2）Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，从垃圾回收的角度看，由于现在的垃圾收集器基本都采用的是分代收集算法，因此java堆还可以初步细分为新生代和年老代。

（3）Java虚拟机规范规定，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。在实现上即可以是固定大小的，也可以是可动态扩展的。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆大小也无法在扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

5.方法区：参数-XX:MaxPermSize可设置

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

6.运行时常量池：可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize设置

（1）运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），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存放到方法区的运行时常量池中。
（2）运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

（3）当常量池无法再申请到内存时就会抛出OutOfMemoryError异常。

7.直接内存：可通过-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆的最大值（-Xmx指定）一样

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

三.HotSpot虚拟机对象

1.对象的创建过程

（1）虚拟机遇到一个new指令时，首先去检查这个指令的参数能否在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，则执行类加载过程（具体细节参见后续博客）。
（2）加载检查通过后，虚拟机为新生对象分配内存（内存在类加载完成后便可完全确定）。（方法是：“指针碰撞”）
（3）内存分配完成后，虚拟机对对象进行必要的设置，如对象是哪个类的实例、如何找到类的元数据信息等(都放在对象的对象头中），对象的哈希码，对象的GC分代年龄信息等等。
（4）从虚拟机角度看，一个新的对象产生了，但从java程序视角看，对象创建才刚刚开始，因为<init>方法还没有执行，，所有字段为零。执行new指令之后会接着执行<init>方法（构造方法），进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完成产生。

2.对象的内存布局

对象在内存中储存的布局可以分为3部分：对象头，示例数据和对齐填充。

（1）对象头分为两部分：

• 存储对象自身的运行时数据，如哈希码，GC分代年龄，锁状态标志，线程持有的锁等。长度在32位和64位的虚拟机中，分别为32bit、 64bit,官方称它为“Mark Word”
• 类型指针，对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例

（2）示例数据：对象真正存储的有用信息，也是程序中定义的各种类型的字段内容。

（3）对其填充：由于HotSpot虚拟机要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，通俗的说，就是对象大小必须是8字节的整数倍。对象头正好是8字节的倍数。当实例数据部分没有对齐时，需要通过对齐填充来补全。

3.对象的访问定位

主流访问方式分为两种：使用句柄以及直接指针

（1）使用句柄

 Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息。

（2）直接指针

 Reference中存储的直接就是对象地址。

使用句柄的优势在于reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改；使用指针的优势在于速度快，节省了一次指针定位的时间开销。