由于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命令。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，各线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们程这块内存区域为“线程私有”的内存。

此区域是唯一一个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（Java Virtual Machine Stacks）：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帧栈（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，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。它的线程也是私有的，生命周期与线程相同。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

Java虚拟机栈的局部变量表的空间单位是槽（Slot），其中64位长度的double和long类型会占用两个Slot。局部变量表所需内存空间在编译期完成分配，当进入一个方法时，该方法需要在帧中分配多大的局部变量是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

Java虚拟机栈有两种异常状况：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；如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出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，它们之间的区别只不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

Java虚拟机规范没有对本地方法栈中方法使用的语言、使用的方式和数据结构做出强制规定，因此具体的虚拟机可以自由地实现它。比如：Sun HotSpot虚拟机直接把Java虚拟机栈和本地方法栈合二为一。

与Java虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

1.4 Java堆

Java堆（Java Heap）：是被所有线程所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做“GC”堆（Garbage Collected Heap）。从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代。从内存分配角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）。不过无论如何划分，都与存放的内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

Java虚拟机规定，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，可以是固定大小的，也可以是可扩展的。如果在堆中没有完成实例分配。并且堆也无法扩展时，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，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），其目的应该就是与Java堆区分开来。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，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。

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

运行时常量池：

运行时常量池（Runtime Constant Pool）：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，还有一些信息是常量池，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。

Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行。

1.6 直接内存

直接内存（Direct Memory）：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。但是这部分内存也频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常。将其放到这里一起进行讲解。

在JDK1.4中新加入了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堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。

本地直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。如果各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

2、HotSpot虚拟机对象探秘

如果我们想了解虚拟机是如何创建、如何布局以及如何访问的，对于这些细节的问题，就必须把讨论范围限定到具体的虚拟机和集中在某一内存区域上才有意义。基于实用优先原则，下面用HotSpot虚拟机和Java堆内存作为例。

2.1 对象的创建

在Java语言中，我们常用new关键字去创建对象，这个创建过程大概包括以下部分：

（1）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；

（2）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。对象所需的内存的大小在类加载完成后便可完全确定；

（3）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（不包括对象头）；

（4）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。这些信息存放在对象的对象头中。

在上面的工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象就已经产生了，但是从Java程序来看，对象的创建才刚刚开始，<init>方法还没有执行，所有的字段都还为零。

2.2 对象的内存布局

在HotSpot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（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

（1）对象头：包括两部分信息，第一部分用于存储自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等等；第二部分是类型指针，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。

（2）实例数据：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。无论是父类继承下来的，还在在子类中定义的，都需要记录下来。

（3）对其填充：并不是必然存在的，也没有特殊的含义，它仅仅起着占位符的作用。HotSpot要求对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐的时候，就需要通过对其补充来补全。

2.3 对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作栈上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中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、访问堆中的具体位置，所以对象的访问方式也取决于虚拟机实现而定。

目前主流的访问方式有：句柄和直接指引两种。而HotSpot使用的是直接指针进行对象访问的。

3、实战：OutOfMemoryError异常

本节的内容的目的有两个：

第一：通过代码验证Java虚拟机规范中描述的各个运行时区域存储的内容；

第二：希望读者在工作中遇到实际的内存溢出时，能根据异常的信息快速判断是哪个区域的内存溢出，知道什么样的代码可能会导致这些区域内存溢出，以及出现这些异常后该如何处理。

3.1 Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例，只要不断地创建对象，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，那么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。

如下代码中：限制Java堆的大小为20MB，不可扩展（将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为一样即可避免堆自动扩展），通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析。

VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，代码如下：

[code]/**
* 测试：堆溢出
* VM Args:  -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
*/
public class HeapOOM {

static class OOMObject{

}

public static void main(String[] args){
List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();

while(true){
list.add(new OOMObject());
}
}
}

在Run as --> Run configurations --> Java Application --> Arguments --> VM arguments中设置虚拟机启动参数，运行结果如下：

可以通过dump出来的文件分析是出现了内存泄漏（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）。具体分析过程后面章节会具体讲到。

3.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

由于在HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此，对于HotSpot来说，虽然-Xoss参数（设置本地方法和栈大小）存在，但实际上是无效的，栈容量只由-Xss参数设定。

关于虚拟机栈和本地方法栈，在Java虚拟机规范中描述了两种异常：

（1）如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常；

（2）如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

3.2.1 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常

单线程的环境下，无论由于栈帧过大还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机则抛出的都是StackOverflowError异常。

VM Args: -Xss128k 设置栈容量为128k，代码如下：

[code]/**
* 虚拟机栈和本地方法栈OOM测试
* VM Args: -Xss128k  设置栈容量为128k
*/
public class JavaVMStackSOF {

private int stackLength = 1;

public void stackLeak(){
stackLength++;
stackLeak();   // 递归
}

public static void main(String[] args) {
JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
try{
oom.stackLeak();
}catch(Throwable e){
System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);
throw e;
}
}
}

运行结果：

3.3.2 如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常

多线程环境下，能够创建的线程最大内存 = 物理内存 - 最大堆内存 - 最大方法区内存 - 程序计数器消耗的内存（很小，可忽略）。在Java虚拟机栈内存一定的情况下，每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的县城数目就越少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。

VM Args: -Xss2M 设置栈容量为2M，代码如下：

[code]/**
* 创建线程导致内存溢出异常
* VM Args: -Xss2M   设置栈容量为2M
*/
public class JavaVMStackOOM {

private void dontStop(){
while(true){
}
}

public void stackLeakByThread(){
// 一直循环创建线程，直到内存溢出
while(true){
Thread thread = new Thread(new Runnable(){

@Override
public void run(){
dontStop();
}
});
thread.start();
}
}

public static void main(String[] args) {
JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
oom.stackLeakByThread();
}
}

由于运行该程序可能会出现操作系统假死，所以这里就不再运行了，贴上书上的运行结果：

3.3 方法区和运行时常量池溢出

运行时常量池属于方法区的一部分，可以使用-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小【注意：仅限JDK1.6及之前的版本，因为JDK1.7中开始逐步“去永久代”】。

String.intern()是一个Native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含了一个等于此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String对象的引用。

[code]/**
* 运行时常量池导致的内存溢出异常
* -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
*/
public class RuntimeConstantPoolOOM {

public static void main(String[] args) {
// 使用List保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池的行为
List<String> list = new ArrayList<String>();

// 10MB的PermSize在Integer范围内足够产生OOM了。
int  i = 0;
while(true){
list.add(String.valueOf(i++).intern());
}
}
}

需要在JDK1.6及以下版本运行中才会出现运行时常量溢出，在OutOfMemoryError后面紧跟的提示信息是”PermGen space“，说明运行时常量池属于方法区。

再看下面这段代码，在JDK1.6和JDK1.7中运行会得出不同的结果：

[code]/**
* JDK1.6和JDK1.7中的字符串常量池问题
* JDK1.6运行结果：两个false
* JDK1.7运行结果：一个ture，一个false
*/
public class RuntimeConstantPoolOOM_Demo {

public static void main(String[] args) {
String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
System.out.println(str1.intern() == str1);

String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
System.out.println(str2.intern() == str2);
}
}

JDK1.6运行结果：两个false，JDK1.7运行结果：一个ture，一个false。产生差异的原因是：在JDK1.6中，intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中，返回的也是永久代中这个字符串实例的引用，而由StringBuilder创建的字符串实例在Java堆上，所以必然不是同一个引用，将返回false。而JDK1.7的intern()实现不会复制实例，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串实例是同一个。

对于str2比较返回false是因为“java”这个字符串在执行StringBuilder之前已经出现过，字符串常量池已经有它的引用了，不符合“首次出现”的原则，而“计算机软件”这个字符串则是首次出现的，因此返回true。

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。对于这些区域的测试，基本的思路是运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。下面的例子中借助CGLIB动态代理直接操作字节码运行时生成了大量的动态类。增强的类越多，就需要越大的方法区来保证动态生成的Class可以载入内存。

VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M

[code]/**
* 借助CGLIB使方法区出现内存溢出异常
* VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
*/
public class JavaMethodAreaOOM {

public static void main(String[] args) {

while(true){
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback(new MethodInterceptor(){
public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable{
return proxy.invokeSuper(obj, args);
}
});
enhancer.create();
}
}

static class OOMObject{

}
}

3.4 本机直接内存溢出

Java虚拟机可以通过参数-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆最大值（-Xmx一样）。JDK中可以通过反射获取Unsafe类（Unsafe类的getUnsafe()方法只有启动类加载器Bootstrap才能返回实例）直接操作本机直接内存。

[code]/**
* 使用unsafe分配本机内存
* VM Area：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
*/
public class DirectMemoryOOM {

private static final int _1MB = 1024 * 1024;

public static void main(String[] args) {
Field unsafeFiled = Unsafe.class.getDeclaredField()[0];
unsafeFiled.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = unsafeFiled.get(null);
while(true){
unsafe.allocateMemory(_1MB);
}
}
}

4 总结

本章主要讲解了Java虚拟机内存是如何划分的，哪部分区域、什么样的代码和操作可能导致内存溢出异常。虽然Java有垃圾收集机制，但内存溢出异常离我们并不遥远，本章只是讲解了各个区域出现内存溢出异常的原因，下一章详细讲解Java垃圾收集机制为了避免内存溢出异常而做了哪些努力。

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读书笔记 ---- 《深入理解Java虚拟机》---- 第1篇：Java内存区域与内存溢出异常

第2章 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