Java虚拟机JVM之Java内存结构与内存溢出异常

一、java内存架构

JAVA内存结构图

 

1、程序计数器

定义：程序计数器也称PC寄存器，是一块较小的内存空间，可以看做当前线程所执行的字节码指令的行号指示器

作用：字节码解释器通过改变程序计数器的值来进行分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能；在多线程情况下，程序计数器记录的是当前线程执行的位置，从而当线程切换回来时，就知道上次线程执行到哪了

特点：

• 如果当前线程所执行的方法是native方法，那么该程序计数器的值为空（undefined）；
• 程序计数器是唯一一个在Java虚拟机中没有OutOfMemoryError情况的区域；
• 线程独有，每一个线程都有自己的程序计数器；
• 生命周期是随着线程的创建而创建，随着线程的结束而销毁。

2、Java虚拟机栈

定义：Java虚拟机栈是java方法执行的内存模型。

每一个方法在执行的同时都会创建一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

java栈内存模型

 

局部变量表：存在了在编译时期可知的各种基本数据类型（八大原始数据类型）、对象引用（reference）和returnAddress类型；局部变量表所需要的内存空间在编译时期就已经完成分配，不能进行动态改变。

 

入栈和出栈：每一个方法从执行到完成的过程，就对应着一个栈帧在java虚拟机栈中的入栈到出栈的过程

当方法运行过程中需要创建局部变量时，就将局部变量的值存入栈帧中的局部变量表中。

Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，PC 寄存器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，当在这个栈帧中调用另一个方法，与之对应的栈帧又会被创建，新创建的栈帧压入栈顶，变为当前的活动栈帧。

方法结束后，当前栈帧被移出，栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值，那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

由于Java 虚拟机栈是与线程对应的，数据不是线程共享的，因此不用关心数据一致性问题，也不会存在同步锁的问题。

 

异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

• StackOverFlowError 若 Java 虚拟机栈的大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度时，抛出 StackOverFlowError 异常。
• OutOfMemoryError 若允许动态扩展，那么当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展时，抛出 OutOfMemoryError 异常。

 

3、本地方法栈

定义：本地方法栈是为 JVM 运行 Native 方法准备的空间，由于很多 Native 方法都是用 C 语言实现的，所以它通常又叫 C 栈。它与 Java 虚拟机栈实现的功能类似，只不过本地方法栈是描述本地方法运行过程的内存模型。

参数设置：

-Xss 设置每个线程栈的大小

应该根据应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。

注意：如果 Java 虚拟机本身不支持 Native 方法，或是本身不依赖于传统栈，那么可以不提供本地方法栈。如果支持本地方法栈，那么这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。

4、Java堆

定义：堆是用来存放对象的内存空间，几乎所有的对象都存储在堆中。

特点：

• 在虚拟机启动时创建，是被线程共享一块区域的，整个 Java 虚拟机只有一个堆
• 是Java虚拟机中内存占用最大的一块，是垃圾回收的主要区域，因此也称为“GC堆”。
• 根据内存回收的角度来看，进一步可分为：新生代(Eden区 From Survior To Survivor)、老年代。

不同的区域存放不同生命周期的对象，这样可以根据不同的区域使用不同的垃圾回收算法，更具有针对性。

堆的大小既可以固定也可以扩展，但对于主流的虚拟机，堆的大小是可扩展的，因此当线程请求分配内存，但堆已满，且内存已无法再扩展时，就抛出 OutOfMemoryError 异常。

参数设置：

-Xms 设置堆初始大小

-Xmx 设置堆最大内存大小

-Xms值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存

注意：Java 堆所使用的内存不需要保证是连续的。而由于堆是被所有线程共享的，所以对它的访问需要注意同步问题，方法和对应的属性都需要保证一致性。

5、方法区

定义：Java 虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分。方法区存放以下信息：已经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数据

特点：

• 线程共享。 方法区是堆的一个逻辑部分，因此和堆一样，都是线程共享的。整个虚拟机中只有一个方法区。
• 永久代。 方法区中的信息一般需要长期存在，而且它又是堆的逻辑分区，因此用堆的划分方法，把方法区称为“永久代”。
• 内存回收效率低。 方法区中的信息一般需要长期存在，回收一遍之后可能只有少量信息无效。主要回收目标是：对常量池的回收；对类型的卸载。
• Java 虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。 和堆一样，允许固定大小，也允许动态扩展，还允许不实现垃圾回收

当方法区无法满足内存分配的需求的时候，也会抛出OutOfMemoryError异常

参数设置：

-XX:PermSize 设置方法区内存大小

-XX:MaxPermSize 设置方法区最大内存大小

JDK 1.8 同 JDK 1.7 比，最大的差别就是：元数据区取代了永久代。元空间的本质和永久代类似，都是对 JVM 规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元数据空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

6、运行时常量池

方法区中存放：类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。常量就存放在运行时常量池中。

当类被 Java 虚拟机加载后，Class 文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中，而且在运行期间，可以向常量池中添加新的常量。如 String 类的 intern() 方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。

当方法区无法满足内存分配的需求的时候，也会抛出OutOfMemoryError异常

 

7、直接内存

直接内存是除 Java 虚拟机之外的内存，但也可能被 Java 使用。

操作直接内存：在 NIO 中引入了一种基于通道和缓冲的 IO 方式。它可以通过调用本地方法直接分配 Java 虚拟机之外的内存，然后通过一个存储在堆中的DirectByteBuffer对象直接操作该内存，而无须先将外部内存中的数据复制到堆中再进行操作，从而提高了数据操作的效率。

直接内存的大小不受 Java 虚拟机控制，但既然是内存，当内存不足时就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

直接内存与堆内存比较：

• 直接内存申请空间耗费更高的性能
• 直接内存读取 IO 的性能要优于普通的堆内存。
• 直接内存作用链： 本地 IO -> 直接内存 -> 本地 IO
• 堆内存作用链：本地 IO -> 直接内存 -> 非直接内存 -> 直接内存 -> 本地 IO

当内存区域总和大于物理内存限制，也会抛出OutOfMemoryError异常