深入理解Java虚拟机：Java内存区域与内存溢出异常

1. 运行时数据区域

1.1 程序计数器：

线程私有的内存区域，一块较小的内存空间，作用是当前线程所执行的字节码的行号指示器

1.2 Java虚拟机栈：

JVMStacks，也是 线程私有 的，生命周期与线程相同

描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法被调用直至执行完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程

一般网上说的栈内存指的是这里的局部变量表，局部变量表的内存空间在编译期间完成分配

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，如果虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存会抛出 OutOfMemoryError

1.3 本地方法栈：

与JVMStacks的区别是，为虚拟机使用到的Native方法服务

1.4 Java堆：

被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时候创建。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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例

Java堆也是垃圾收集器广利的主要区域，因此很多时候也被称作”GC堆“

由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：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

当前主流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，并且堆也无法再扩展时，将会抛出 OutOfMemoryError

• -Xms：设置进程堆内存的最小大小
• -Xmx：设置进程堆内存的最大大小
• -Xmn：设置堆内存新生代的大小

1.5 方法区：

与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，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。当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError

1.5.1 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存放到方法区的运行时常量池中。String.intern()方法可以在运行期间将新的常量放入池中

1.5.2 直接内存

JDK1.4中新加入的NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（channel）与缓冲区（buffer）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堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。

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2. 对象访问

如果使用句柄访问方式，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和类型数据各自的
具体地址信息，如图所示。

如果使用直接指针访问方式，Jva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，reference中直接存储的就是对象地址，如图所示

这两种对象的访问方式各有优势，使用句柄访问方式的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。
使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Jva中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。就这里讨论的主要虚拟机Sun HotSpot而言，它是使用第二种方式进行对象

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3. OutOfMemoryError异常

3.1 Java堆溢出

出现Java堆内存溢出时，异常堆栈信息“java.lang.OutOfMemoryError”会跟着进一步提示“Java heap space”。要解决这个区域的异常，一般的手段是：

1. 通过内存映像发内心工具对dump出来的堆转储快照进行分析，先确认是内存泄漏还是内存溢出
2. 如果是内存泄漏，进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链，通过引用链信息，就可以比较准确地定位泄漏代码的位置
3. 如果不存在泄漏，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xmx 和 -Xms）与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗

3.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

对于HotSpot虚拟机来说，栈容量只由-Xss参数设定。但是这部分抛出 StackOverflowError 的情况比OOM要常见

3.3 运行时常量池溢出

如果要向运行时常量池中添加内容，最简单的做法就是使用String.intern()方法。该方法的作用是：如果池中已经包含一个等于此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。

可以通过-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize限制方法区的大小，从而间接限制其常量池的容量

3.4 方法区溢出

方法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这个区域的测试，可以在运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。

3.5 本机直接内存溢出

该部分可铜鼓 -XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆的最大值（-Xmx指定）一样。虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常，但它抛出异常时并没有真正向操作系统申请分配内存，而是通过计算得知内存无法分配，于是手动抛出异，真正申请分配内存的方法是unsafe.allocateMemory()