Java内存区域与内存溢出异常

一.运行时数据区域

1.程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所 执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需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以来这个急死乎其来完成。

用于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，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能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。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机范围在没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.Java虚拟机栈

线程私有，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时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、方法出口等消息。每一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。

虚拟机栈存放着基本数据类型（boolean byte char short int long float double ）、对象引用和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。其中long跟double会占用2个局部变量空间，其余的占一个。虚拟机栈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虚拟机栈的大小。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：若线程请求栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；若虚拟机栈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非常相似，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。本地方法栈中方法使用语言、方式与数据结构没有强制规定，它也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4.Java堆

对于大多数应用来说，Java堆（Java heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动的时候创建。此区域存在的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有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做“GC堆”。

根据Java虚拟机规范的规定，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。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也是无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

5.方法区

方法区跟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。Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，为了与Java堆区分出来，别名为Non-Heap（非堆）。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常的宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。这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，一般来说，这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相对苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

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，这部分内容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，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的就是Stirng类的intern()方法。

当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

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虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常。

在JDK1.4中新加入了NIO（New IO）类，引入了一种基于通道与缓存区的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堆中的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显著提高性能，以为避免了在Java堆和native堆中来回复制数据。

本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但既然是内存，肯定会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

二.HotSpot虚拟机对象探秘

以HotStop虚拟机和常用的内存区域Java堆为例，深入探讨HotStop虚拟机在Java堆中对象分配、布局和访问的全过程。

1.对象的创建

虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

在类加载检查完成过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。分配方式根据Java堆是否规整，分为“指针碰撞”和“空闲列表”两类，选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又有所采用的垃圾收集器是否带有亚索调整功能决定。因此，使用Serial、ParNew等带Compat过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞；使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用空闲列表。

对象创建在虚拟机中是非常频繁地行为，在并发情况下并不是线程安全的。解决这个问题由两种方案，一是对分配内存空间的动作进行同步处理—实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另一种是把内存分配的动作按照先生划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存。

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值，保证对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到的这些字段的数据类型所对应的零值。

接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息，存放在对象的对象头中。

执行完new指令之后会接着执行方法，把对象按照程序员的医院进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

2.对象的内存布局

在HotStop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、实例数据和对齐填充。

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，这部分长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit。另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

示例数据部分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。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义顺序的影响，相同宽度的字段总是被分配到一起。

对齐填充并不是必然存在的，在没有特别的含义，它仅仅起到占位符的作用。

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。用于reference类型在Java虚拟机规范只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是取决于虚拟机实际而定的。目前主流对的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

如果使用句柄访问的话，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，而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。

如果使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何为防止访问类型数据相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址。