Java内存区域与内存溢出异常

1、概述

• 对于C和C++语言来说，在内存管理区域，程序员是具有至高无上的权利，他们可以管理内存也可以拥有每一个“对象”的所有权，有担负着每一个对象生命的开始到终结的角色。
• 对于Java程序员来说，在虚拟机的自动管理内存的管理机制下，不再需要为每一个new操作去添加一个delete/free代码，而且不容易出现内存泄漏和内存溢出的问题。这样看起来感觉虚拟机管理内存是一件美好的事，不过，也正是因为Java程序员把内存管理的权力交给了JVM，一旦出现内存泄漏和溢出的问题，如果不了解虚拟机管理内存的内部原理，那么排错是一件十分痛苦的事。

2、运行时数据区域

2.1、程序计数器

• 程序计数器是一块很小的空间，他的作用可以看作是当前线程的行号指示器。在虚拟机的概念模型中，字节码的解释工作有时候就是通过改变这个计数器的数值去寻找下一行需要执行的字节码指令在哪个行，分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都是通过依赖这个计数器完成的。
• 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，在任何一个确定的时刻，一个处理器只会执行一条线程的指令。因此，为了线程切换后能够恢复到正确的执行位置，每条线程都会有一个单独的计数器，每个线程的计数器之间互不影响，独立存储，我们称这类的内存区域为“线程私有”的内存。
• 如果线程现在执行的是一个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；如果执行的是本地的方法，这个计数器的值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在JVM规范中没有任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.2、Java虚拟机栈

• 与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，他的生命周期和线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用至执行完成的过程，就是一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
  
• 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、int、short、float、double、long）、对象应用（reference类型）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）
• 其中64位长度的long和double类型的数据都会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。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，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量的空间是完全确定的，在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小。
• 在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种状况：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：如果虚拟机栈可以动态扩展（现在虚拟机基本上都可以动态可扩展），当扩展时无法申请到足够的内存空间时就会抛出OutOfMemoryError异常。

2.3、本地方法栈

• 本地方法栈与虚拟机栈发挥的作用是非常相似的，只不过区别是：虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码服务），而本地方法栈是为虚拟机使用到的Native方法提供服务。本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

2.4、Java堆

• 对于大多数的应用来说，Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块区域。Java堆是被所有线程所共享的一块区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域唯一的目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都会在这区域分配内存。
• 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”。如果从内存回收的角度来看，由于现代的收集器基本上都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点可以分为：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。如果从内存分配的角度看，线程共享的Java堆中可能划分多个线程私有的分配缓冲区。不过，无论如何划分，与其存放的内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步的划分是为了更方便的回收内存。
• 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，就像我们的磁盘一样。在实现时，既可以实现成固定的大小，也是可以扩展的，不过当前的虚拟机都是按照可扩展来实现的。如果在堆中没有内存空间来完成对象实例分配，且堆也无法扩展时，将会抛出OutofMemoryError异常。

2.5、方法区

• 方法区与Java堆一样，是各个线程所共享的内存区域，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虚拟机规范把它描述为堆的一部分，但是它有一个别名：非堆，目的应该是与Java堆区分开。
• Java虚拟机规范对这一区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定的大小或者可以扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集器在这一区域是比较少出现的，但是并非数据进入方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。
• 当方法区无法满足内存分配的要求时，会抛出OutofMemoryError异常。

2.6、运行时常量池

• 运行时常量池是方法区的一部分。Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译器产生的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放在方法区的运行时常量池中。
• Java虚拟机对Class文件都有严格的限制，每一个字节用于存储哪种数据都必须满足规范上的要求，这样才会被虚拟机认可、装载和执行。但是对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何要求。
• 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器产生，在运行期间也可能会将新的常量放入池中，这种特性被开发者利用的比较多的便是String类的intern()方法。
• 既然这一区域是方法区的一部分，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OutofMemoryError异常。

关于String类中的intern()方法更多知识参考：https://www.cnblogs.com/feizhai/p/10196955.html

2.7、直接内存

• 直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁使用，而且可能导致OutofMemoryError异常出现。
• 在JDK1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆之间来回复制数据。
• 显然，本机直接内存不会受到Java堆内存的限制，但是会受到本机总内存和处理器寻址空间的限制，因此在本机内存空间满的情况下会出现OutofMemoryError异常。

3、对象访问

• 接下来我们讨论一下Java中对象是如何进行访问的，如下面这行代码：

  Object obj = new Object();
  

• 假设这句代码出现在方法体中，那“Object obj”这部分的语义将会被反映到Java栈的本地变量表中，作为一个reference类型数据出现。而“new Object()”这部分的语义将会被反映到Java堆中，形成了一块存储了Object类型的实例数据值的结构化内存，内存的长度不固定。另外，在Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据（如对象类型、父类、实现的接口、方法等）的地址信息，这些类型的数据则存储在方法区中。

• 由于reference类型在Java虚拟机规范里面只规定了一个指定对象的引用，并没有定义这个引用应该通过哪种方式去定位，以及访问到Java堆中的对象的具体位置，因此不同虚拟机实现对象访问的方式会有所不同，常见的有两个：使用句柄和直接指针。

  1、通过句柄访问对象
  

• 句柄方式的最大好处就是：reference中存在的是稳定的句柄数据地址，在对象被移动时只会改变句柄中实例数据指针，而reference本身不需要修改。

  2、使用直接指针访问方式
  

• 使用直接指针方式的好处就是：速度很快，它节省了一次指针定位的时间开销。

4、总结

       通过本章的学习，明白了虚拟机里面的内存划分，哪部分区域、什么样的代码和操作会导致内存溢出异常。因此针对此问题，Java有了垃圾回收机制，接下来主要讲解Java垃圾回收机制。