Java虚拟机学习笔记（一）——Java内存区域及内存溢出异常

      Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

1、运行时的数据区域

1.1  程序计数器

      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（对于多核处理器来说是一个内核）都会执行一条线程中的指令。为了线程切换后能够恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

      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，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

1.2  Java虚拟机栈

      Java虚拟机栈也是线程私有的。它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：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

      局部变量表存放了编译期可知的基本数据类型、对象引用和returnAddress类型。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。

这个区域有两种异常规定：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，抛出StackOverflowError异常。如果虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存，抛出OutOfMemoryError异常。

1.3  本地方法栈

      本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java（字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。所抛异常和Java虚拟机栈相同。

1.4  Java堆

      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。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称作“GC堆”。根据规范，Java堆可以分配在物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

1.5  方法区

      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，但是它却又一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开。根据规范，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

2、OutOfMemoryError异常

2.1  Java堆溢出

      Java堆用于存储对象实例，只要不断创建对象，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，在对象数量到达最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。

/** * -Xms20M -Xms20M -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError * @author zaimeibian * */public class HeapOOM {static class OOMObject{}public static void main(String[] args) {List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();while(true){list.add(new OOMObject());}}}

       运行结果如图：

      在实际中，要区分是出现了内存泄漏还是内存溢出，从而进行不同的解决。

2.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

2.2.1  StackOverFlowError

此区域由上文可知，有两种溢出，先看看StackOverFlowError异常，将栈的内存容量减少，例子如下：

/** * -Xss128K * @author zaimeibian * */public class JavaVMStackSOF {private int stackLength = -1;public void stackLeak(){stackLength++;stackLeak();}public static void main(String[] args) throws Throwable{JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();try {oom.stackLeak();} catch (Throwable e) {System.out.println("stack length:"+ oom.stackLength);throw e;}}}

输出结果如图：

将-Xss128K 改为 -Xss256K 可得下图结果：

      stackspace用来做方法的递归调用时压入Stack Frame，所以当递归调用太深的时候，就有可能耗尽stack space，出现StackOverFlowError。可以看出，增大栈空间，自然栈深度也随之基本成比例增加。

      操作系统给每个进程的内存是有限制的，比如32位的windows限制为2GB。虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区的这两部分内存的最大值。剩余的内存为2GB（操作系统限制）减去Xmx（最大堆容量），再减去MaxPermSize（最大方法区容量），程序计数器消耗内存很小，可以忽略。如果虚拟机进程本身耗费的内存不计算在内，剩下的内存就由虚拟机栈和本地方法栈“瓜分”了。每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数量自然就越少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。

      实际中，如果是建立过多线程导致的内存溢出，在不能减少线程数或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。

2.2.2  OutOfMemoryError

创建线程导致内存溢出异常，例子如下：

/** * -Xss2M * @author zaimeibian * */public class JavaVMStackOOM {private void dontStop(){while(true){}}public void stackLeakByThread(){while(true){Thread thread = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {// TODO Auto-generated method stubdontStop();}});thread.start();}}public static void main(String[] args) {JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();oom.stackLeakByThread();}}

这个例子最好不要运行，我自己的电脑无响应假死了，应出现的结果是：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

2.3 方法区和运行时常量溢出

String.intern()是一个Native方法，作用是：如果字符串常量池中已经包含此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此String对象的引用。由于常量池分配在永久带内，可以通过-XX：PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量。

/** * -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M * @author yuxi * */public class RuntimeConstantPoolOOM {public static void main(String[] args) {List<String> list = new ArrayList<String>();int i = 0;while (true) {list.add(String.valueOf(i++).intern());}}}

运行结果为：

可以看到，OutOfMemoryError后跟的是 PermGen space，说明运行时常量池属于方法区（HotSpot虚拟机中的永久带）的一部分。