Java内存区域详述和内存溢出异常

1.Java内存区域

1.1 为什么要了解Java内存区域

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溢出问题，由虚拟机管理内存这一切看起来都很美好。不过，也正是因为Java虚拟机把内存的控制权力交给了java虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会为一项目异常艰难的工作。

1. 2 运行时的数据区域

 Java虚拟机运行时的数据区

1.3程序计数器：

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程执行字节码的行号指示器，字节码解释器工作时是通过改变这个计数器的值来选取下一条要执行的字节码指令、分支、循环、跳转、异常处理，线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。每一个线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，它为线程私有的内存。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的正是执行虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器的值则为空(Undefined)。此内存区域是唯一的一个在Java规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

1.4 java虚拟机栈：

Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。这个区域描述的是Java方法执行的内存模型，Java的每一个方式在执行的时候都会创建一个栈帧，这个栈帧用来存储局部变量、操作数栈，动态链接、方法出口信息。每一个方法从调用直至完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。在Java虚拟机规范中，对Java方法栈定义了两种异常状况：如果线程请求的栈的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，如果在扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常，在实际中，是通过-Xss参数来控制。

1.5 本地方法栈

本地方法栈与java虚拟机栈所发挥的功能是一样的，区别在于Java虚拟机栈是执行Java方法，而本地方法栈是虚拟机执行本地方法，甚至有的虚拟机把本地方法虎与Java虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

1.6 Java堆

Java堆是被所有内存共享的，也是Java虚拟机所管理内存中最大的一块，是被所有线程所共享的，几乎所有对象实例都在这里分配内存，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术慢慢成熟，栈上分配，标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有对象都分配在堆上慢慢也变得不是那么绝对了。当然这块区域也是垃圾收集器管理的主要区域，也被不少人称为“GC堆”。

从内存回收的角度来看，由于现在的收集器都是基于分代收集器算法，所以Java堆还可以细分：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓存区（Thread LocalAllocation Buffer）TLAB。不过不管怎样分，存储的都是对象实例，进一步地划分是为了更好的分配和回收内存。

Java堆在物理上可以不连续，但逻辑上一定要连续，在实现上，既可以实现成固定大小，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（主要是通过-Xms和-Xmx控制）。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展，将会抛出OutOfMemoryError异常。

1.7 方法区

方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储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，但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆)，目的应该是与Java堆分开来，在HotSpot虚拟机上，习惯把方法区也叫做“永久代”(PermanentGeneration)，这是因为用永久代来实现方法区而已，永久代有-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize参数的限制。在JDK1.7中已经把原来放在永久代字符串常量池移出。回收这个区域主要针对常量池的回收和类型的卸载。

当方法区域无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

1.8 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，还有一项就是信息常量池（Constant PoolTable），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入到方式区运行的常量池中存放。运行时常量池相对于Class文件常量池的一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求Class文件常量池在运行之前加载产量，这样对Class文件的描述的常量信息也可以运行时存储到运行常量池中，这种特征被开发人员用得比较多的是String类的intern()方法

既然运行时的常量池是方式区的一部分，自然受到了方法区的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

1.9 直接内存

直接内存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。但是这部分内存也被频繁地使用，也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在JDK中新加入的NIO类，引入一种基于通道与缓冲区的I/O方式，它可以使用Native函数直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆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显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

在实际中，是通过-XX:MaxDirectMemorySize参数来控制，默认是和Java堆一样大。

2 Java内存溢出异常

2.1 java堆溢出

固定java堆的大小为20M

package com.tds.jvm;

 

import java.util.ArrayList;

import java.util.List;

 

/**

 * 测试java堆内存溢出

 * @author Administrator

 * VM Args: -Xms20M-Xmx20M -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

 */

public class JavaHeapOutOfMemoryError {

 

    static class MyObject {

       

    }

   

    public static void main(String[]args) {

       

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

        while (true) {

            list.add(new MyObject());

        }

    }

}

运行结果如下：

java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space

Dumping heap tojava_pid6312.hprof ...

Heap dump file created[27869657 bytes in 0.157 secs]

2.2虚拟机栈和本地方法栈溢出

把虚拟机栈的大小设置为128K的大小

package com.tds.jvm;

/**

 * VM 参数：-Xss128k

 * @author Administrator

 * 

 */

public class JavaStackOutOfMemoryError {

 

    private int stackLength = -1;

   

    public void stackLength() {

        stackLength ++;

        stackLength();

    }

   

    public static void main(String[] args) {

       

    JavaStackOutOfMemoryError error = new JavaStackOutOfMemoryError();

        error.stackLength();

    }

}

运行结果如下：

Exception in thread "main"java.lang.StackOverflowError

2.3方法区和运行量常量池溢出

package com.tds.jvm;

 

import java.util.ArrayList;

import java.util.List;

 

/**

 * vm 参数：-XX:PermSize=10M-XX:MaxPerSize=10M

 * @author Administrator

 *

 */

public class JavaRuntimeConstantPoolOutOfMemoryError {

 

    public static void main(String[] args) {

       

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

        int i = 0;

        while (true) {

            list.add(String.valueOf(i++).intern());

        }

    }

}

运行结果如下：

Exception inthread “main” java.lang.OutOfMemoryError： PermGen space

at java.lang.String.intern(Native method)

atcom.tds.jvm.JavaRuntimeConstantPoolOutOfMemoryError.main(

JavaRuntimeConstantPoolOutOfMemoryError.java:18)