深入JVM（之一）--Java内存区域与内存溢出异常

Java与C++之间有一睹由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外的人想进去，墙内的人想出去。

运行时数据区域

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，这些数据区域各有用途，以及创建和销毁的时间，有的区域会随着虚拟机进程的启动而存在，有的区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域



程序计数器：是线程私有的，是一块较小的内存空间，可看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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依赖这个计数器完成。此内存是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈：是线程私有的，它的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(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。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，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间完全是确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。这个区域规定了两种异常：StackOverFlowError（线程请求的栈大于虚拟机所允许的）、OutOfMemoryError（虚拟机无法可动态扩展得到足够内存）。

本地方法栈：与虚拟机栈所发挥的作用相似，区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。这个区域规定了两种异常：StackOverFlowError、OutOfMemoryError。

Java堆：所有线程共享，是java虚拟机所管理的内存中最大的一块。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，几乎所有对象实例都在这里分配内存。java堆是垃圾回收器管理的主要区域，有时也被称为GC堆。从内存分配角度看，由于收集器基本都采用分代收集算法，所以java堆可细分为：新生代和老年代。java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续即可。主要通过-Xmx和-Xms控制。会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区：各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、常亮、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。也叫非堆内存。有时也被称为“永久代”。它可以选择不实现垃圾回收集。这个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。会抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池：是方法区的一部分。Class文件有一部分信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字符量和符号引用，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。会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存：并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范的定义的内存区域。会抛出OutOfMemoryError异常。

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经被加载、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。在类加载检查通过后，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以完全确定，为对象分配内存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。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，如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行，这一步操作保证了对象的实例字段在java代码中可以不附初始值就可以直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。完成上面工作，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从java程序角度，对象创建才开始—init方法还没执行，所有的字段都还为零。所以一般来说，执行new指令之后会接着执行init方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样才是一个真正可用的对象才算完全产生出来。

OutOfMemoryError

Java堆溢出

Xms堆的最小值

Xmx堆的最大值

XX：+HeapDumpOnOutOfMemory：可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析

解决办法：先通过内存映像分析工具对Dump出来的堆转储快照进行分析，重点是分析内存中的对象是否是有必要的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄露还是内存溢出。要是内存泄露，通过工具进一步查看泄露对象到GC Roots的引用链，准确定位泄露代码的位置。如果不存在泄露，也即是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xms和-Xmx），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，尝试减少程序运行的内存消耗。

虚拟机栈和本地方法栈溢出

-Xss 设置栈容量

在单线程下，无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverFlowError异常。在多线程情况下，为每个线程分配的内存越大，反而越容易产生内存溢出异常。每个线程分到的栈容量越大，可以建立的线程数量自然就少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。

方法区和运行时常量池溢出

-XX：PermSize

-XX：MaxPerSize 限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量

方法区是一个常见的内存溢出异常，一个类要被垃圾收集器回收掉，判定条件苛刻，而且在经常生成大量动态Class的应用中，特别需要这些类的回收状况。

本地直接内存溢出

-XX：MaxDirectMemorySize指定DirectMemory容量，如果不指定，就默认与Java堆最大值（-Xmx）一样。

由DirectMemory导致的内存溢出，一个明显特征就是在HeapDump文件中不会看见明显的异常，如果当现OOM之后Dump文件很小，而程序又中又直接或间接使用了NIO，就可以考虑检查一下是不是这个方面原因。