学习笔记：深入理解Java虚拟机 第二章:Java内存区域与内存溢出异常（1）

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的"高墙",墙外面的人想进去,墙里面的人却想出来。

一、概述

​ C、C++的开发人员在内存管理领域拥有最高权力，但他们也要从事最基础的工作——拥有每个对象的“所有权”，也要负责对每一个对象生命周期内的维护。

而Java程序员，因为有JVM的自动内存管理机制，不需要为每个new操作写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出。但也正因为此一旦发生了内存泄漏和溢出问题，如果不了解JVM使用内存的原理，那么排查异常将会异常艰难。

二、运行时数据区域

​ Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把所管理的内存划分为若干个不同的数据区，这些区域具有不同的用途和生命周期。有的区域随虚拟机启动而存在，有的则依赖于用户线程的启动和建立和销毁。《Java虚拟机规范》规定，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。

1.程序计数器

​ 程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间，它可以看作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中，字节码解释器工作时就是通过改变计数器的值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程序计数器来完成。

​ 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（对于多核处理器来说是一个内核）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，各线程的程序计数器相互独立，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;如果执行的是本地方法(native method),这个计数器值为空(undefined)。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.Java虚拟机栈

​ 与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，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。每一个方法从调用直至完成的过程，都对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈（压栈到弹栈）的过程。

​ 我们常说的堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗糙，Java内存区域的划分远比这复杂。这种划分只能说明大多数程序员最关注的的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中的“栈”就是虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

​ 局部变量表中存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象的起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。

​ 64位长度（8个字节）的long和double类型数据会占用2个局部变量空间（slot），其余的数据类型只占用1个局部变量空间（4个字节）。局部变量表所需的内存空间在编译期完成分配，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局部变量表的大小。

​ Java虚拟机规范对这个区域规定了两种异常：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError；如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError。

3.本地方法栈

​ 本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈发挥的作用非常相似，它们之间的区别仅仅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执行用到的本地（Native）方法。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式和数据结构没有强制规定，因此虚拟机可以自由实现。Sun HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4.Java堆

​ 对大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是虚拟机管理内存中最大的一块。**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堆区进行分配内存。Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都在堆上分配。但是随着JIT编译期的发展和逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些变化发生，所有的对象都分配在堆上也不那么“绝对”了。

​ Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称作“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从内存回收的角度来看，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；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。但无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域,储存的都仍是对象实例，进一步的划分是为了更好的回收内存。

​ 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，只要逻辑上连续即可。如果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异常。

5.方法区

​ 方法区（Method Area）与堆一样，是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虚拟机把它描述为一个逻辑部分，但它却有一个别名叫Non-Heap（非堆），目的是与Java堆区分开。

​ HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者，习惯于把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅因为HotSpot虚拟机团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分的内存空间。能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。其他虚拟机中是不存在永久代这个概念的。而且，使用永久代来实现方法区，现在看来并不是一个好主意，因为永久代的内存空间很小，这样很容易内存溢出。因此，JDK1.7中已经把原本放在永久代的字符串常量池移出，放到了堆区。而在JDK1.8中，则用元空间彻底取代了永久代。

​ Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和堆一样不需要连续的物理内存和可以选择固定大小或可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集在这个区域比较少出现，但并非数据真的永久存在,这个区域的内存回收主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

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

6.运行时常量池

​ 运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的元数据（版本、字段、方法、接口等描述信息），还有一项是常量池（Constant Pool Table），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以后进入方法区的运行时常量池中存放。

​ Java虚拟机对Class文件每一部分的格式都有严格规定，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任何、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

​ 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区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，比如String类的intern()方法。

​ 运行时常量池是方法区的一部分，所以受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存会抛出OutOfMemoryError异常。

7.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。但是这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常。

​ JDK1.4新增了NIO(New Input/Output)类，引入了一种基于通道（Channel）和缓冲区（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升性能，避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

​ 直接内存会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。配置虚拟机参数时如果忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，动态扩展时可能会出现OutOfMemoryError异常。