第2章-Java内存区域与内存溢出异常

Java内存区域与内存溢出异常

概述

对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，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，由虚拟机管理内存。

运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把所管理的内存划分为若干个不同的数据区域：

运行时数据区包括：

方法区

虚拟机栈

本地方法栈

堆

程序计数器

1、程序计数器

一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器；线程隔离的内存区域，也称“线程私有”。

线程正在执行一个Java方法，指向的是虚拟机字节码指令的地址；正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空(Undefined)。

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

线程私有的，他的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型；每个方法在执行的同事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。每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。

Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状态：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，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

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是相似的，他们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用的Native方法服务。有的虚拟机(Sun HotSpot)直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

4、Java堆

Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。所有线程共享这块内存区域，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是在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代。

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。

5、方法区

各个线程共享的内存区域，他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。Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分。HotSpot中，有人把方法区称为“永久代”。

6、运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。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，这部分内存将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

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。

6、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虚拟机规范中定义的内存区域。

在JDK1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道与缓冲区的I/O方式，他可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样避免了再Java堆和Native堆中来回复制数据。

HotSpot虚拟机对象探秘

1、对象的创建

Java堆是否规整（是否规整由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定）：

规整：指针碰撞

不规整：空闲列表

分配内存；初始化。

2、对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。

对象头包括两部分信息，第一部分用于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、偏向线程ID、偏向时间戳等。数据长度在32位和64位虚拟机(为开启压缩指针)中分别为32bit和64bit，官方称他为“Mark Word”。另一部分是类型指针，即对象指向他的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例。如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。

实例数据是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，HotSpot VM是8字节对齐。

3、对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

句柄访问，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，句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。

直接指针访问，Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址。

比较：

句柄访问最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，reference本身不需要修改。

直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，他节省了一次指针定位的时间开销。HotSpot就是采用的这种方式。

实战：OutOfMemoryError异常

1、Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例，只要不断地创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象。

import java.util.ArrayList;

import java.util.List;

 

public class HeapOOM {

    public static void main(String args[]) {

        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();

        while(true) {

            list.add(new OOMObject());

        }

    }

}

2、虚拟机栈和本地方法栈溢出

public class VMStackOF {

 

    private int length = 1;

 

    public void stackLeak() {

        length++;

        stackLeak();

    }

 

    public static void main(String args[]) {

        VMStackOF vmStackOF = new VMStackOF();

        vmStackOF.stackLeak();

    }

}

3、方法区和运行时常量池溢出

4、本机直接内存溢出