Java内存区域剖析 —— 定位OutOfMemory异常之前的必修课

带着问题阅读

• Java中都有哪些数据需要放进内存？
• 如果你是JVM的设计者，你会怎样将内存按功能进行划分？
• HotSpot是怎么划分内存的？

导语

上一讲带着大家踏入了Java虚拟机的大门，从这一讲开始，进入专题的第一个版块——Java虚拟机的自动内存管理机制。

说起内存，大家很容易就想到了内存溢出，的确，对于Java工程师来说，谁的一生不会经历OutOfMemory呢，要么是Heap Space家起火，要么是Stack家淹水了，要么就是PermGen被打劫了。在学习如何定位这些异常发生的原因并提出解决方案之前，我们必须了解一下，Java虚拟机是如何划分自己的内存区域的。

本文是Effective Java专栏Java虚拟机专题的第二讲，如果你觉得看完之后对你有所帮助，欢迎订阅本专栏，也欢迎您将本专栏分享给你身边的工程师同学。

在学习本节课程之前，建议您先了解一下以下知识点：

• 为什么要学习Java虚拟机
  
• HotSpot虚拟机
  

Java内存区域

一个Java进程启动后，会被划分一块类似于疆土的内存区域，虚拟机将这块大的内存，按照所存储的数据类型，划分为不同的区域进行管理，Java虚拟机的运行时数据区，可以用下面这张图来表示：

下面就来对这张内存区域模型图作详细的讲解。

程序计数器

程序计数器在虚拟机内存中是一块很小的区域，这个计数器记录了当前线程执行到了哪一行的字节码指令。每条线程都拥有一个独立的程序计数器，有了这个计数器，才能在不停的线程切换中，让线程记得下一条要执行的指令。

程序计数器是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemory异常的区域。

Java虚拟机栈

和程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的。虚拟机栈主要存储的内容是方法执行时的局部变量表，包括各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（指向一个对象地址的指针）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会占用2个局部变量空间，其余数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译器就分配完成，也就是说，进入一个方法时，这个方法需要分配多大的局部变量空间是完全确定的。

可能这样讲大家还有点模糊，这里上个图：

每个线程都拥有一个虚拟机栈，线程中每个方法执行时都会在栈中创建一个栈帧，栈帧中就包含了上面所说的数据，方法每递归一次，就新建一个栈帧，依此类推。后面讲到虚拟机字节码执行引擎时，会对这张图作更详细的介绍。

在Java虚拟机规范中，这个区域有两种异常情况：

• 如果线程运行时的栈帧总得大小超过虚拟机限制的大小，会抛出StackOverflow异常，这一点通常发生在递归运行时；
• 如果虚拟机栈设置为可以动态扩展，并且在扩展时无法申请到足够内存，则会抛出OutOfMemory异常。

本地方法栈

本地方法栈发挥的作用和虚拟机栈是十分相似的，主要都是存储着方法执行的局部变量的信息，不同的是虚拟机栈是为执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈是为虚拟机使用到的本地Native方法服务。

基于两者的相似性，HotSpot虚拟机直接将两者合二为一。

和虚拟机栈一样，本地方法栈也有StackOverflow和OutOfMemory异常。

Java堆

Java堆是Java虚拟机内存中最大的一块，是被所有线程共享的一块内存区域。Java堆负责存放Java对象实例，因此Java堆也是垃圾收集的主要区域。

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。

可以通过-Xmx和-Xms参数来控制堆的大小，当堆没有内存完成实例分配，且无法继续扩展时，就会抛出OutOfMemory异常。

方法区

前面提到了虚拟机栈是用来管理Java方法执行的内存信息的，因此，很明显，这里的方法区存储的并不是方法执行的信息。

方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、JIT编译器编译后的代码等数据，也是各个线程共享的内存区域。

直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，但是Java可以对这部分的内存进行使用，比如JDK 1.4新加入的NIO，它可以通过Native函数库直接在机器内存中获取内存，然后通过存储在Java堆中的对象，作为这块内存的引用进行操作，避免了在Java堆和Native之间来回复制数据，提高了操作的性能。

直接内存的大小只受到本机总内存的限制，因此，如果直接内存使用过多，超过了机器的物理内存限制，就会导致OutOfMemory异常。

总结

这一讲，主要给大家介绍了Java虚拟机是如何划分内存以及各个内存区域的功能和职责。了解了这些之后，我们就能够理解为什么会发生各种内存异常的异常了，在下一讲，我将在自己的机器上，演示各种内存异常是如何发生的。

课后思考

如果要你在自己的机器上模拟Java堆的内存溢出，你会怎么做？欢迎在评论区写下你的想法，O(∩_∩)O谢谢。

上一讲课后思考题的答案

上一讲的问题是——“我们经常看到有人说他掌握J2SE、J2ME、J2EE，也看过有人说他很懂Java SE、Java ME、Java EE，那么到底应该叫是J2XX还是Java XX呢？”

这个问题涉及到Java发展的历史，1998年12月4日，JDK1.2发布，Sun将Java技术体系拆分为3个方向——J2SE、J2ME、J2EE；而到了2006年12月11日，JDK1.6发布，Sun终结了J2XX的命名方式，启用Java SE、Java ME、Java EE的命名方式。因此，在面试或者平时写作的时候，建议大家采用Java XX的方式吧，就像Java的首字母要大写一样。

参考资料

• 《深入理解Java虚拟机》 周志明
•  java-memory-model
•   memorymanagement-whitepaper