Java内存区域与内存溢出异常

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Java内存区域与内存溢出异常
1.概述

对于 Java 的开发者来说，在虚拟机的自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个 new 操作去写配对的
delete / free 代码，这样不容易出现内存泄露和内存溢出的问题，只要全权交给虚拟机去处理。不过，也正是
因为这样，一旦出现内存泄露和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会
异常艰难。
所以我们只有了解了虚拟机的各个区域、各个区域的作用、服务对象等，才能在遇到内存问题时去解决这些
问题。
2.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。这些区域都有各
自的用途，以及创建和销毁时间。根据 《Java 虚拟机规范》的规定，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。

2.1 - 程序计数器（Program Counter Register）

概述：该区域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。
作用：通过改变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）基础功能都依赖与其完成。
特点：
1.线程私有：因为 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 来实现的，在某一时
刻，只会执行一条线程。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。
2.无内存溢出：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（Undefined）。此内存区域是唯一一个在 Ja
va 虚拟机程序规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
2.2 - Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

2.2.1 - Java 虚拟机栈

概述：描述 Java 方法执行的内存模型，每个方法从调用直至执行的过程，对应着一个 栈帧 在虚拟机栈中入
栈到出栈的过程。
作用：存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
特点：
1.线程私有。
2.生命周期与线程相同。
2.2.2 - 局部变量表

概述：存放了编译期间可知的各种基本数据类型（8种）、对象引用、returnAddress 类型（指向一条字节码指
令的地址）。
占用空间：64位长度的 long 和 double 类型占用 2 个局部变量空间（Slot），其余数据类型只占用 1 个。
分配时机：在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法所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。
我们经常将 Java 内存分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法中所指的栈就是 Java 虚拟机栈，或
者说是虚拟机栈中 局部变量表 部分。
2.2.3 - 对象引用

概述：reference 类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象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。
2.2.4 - 异常

异常类型        发生条件
StackOverflowError        线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时抛出该异常。
OutOfMemoryError        无法申请到足够的内存时抛出该异常。
2.3 - 本地方法栈（Native Method Stack）

概述：与虚拟机栈类似，是为虚拟机使用到的 Native 方法服务的内存区域。
区别：
虚拟机栈：为虚拟机执行 Java 方法（字节码）服务。
本地方法栈：为虚拟机使用到的 Native 方法服务。
异常：与虚拟机栈一致。
在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可
以自由实现它。甚至有的虚拟机（e.g. Sun HotSpot VM）直接将本地方法栈与虚拟机栈合二为一。
2.4 - Java 堆（Java Heap）

概述：对于大多数应用来说，该区域是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块区域。
作用：此区域唯一的目的就是存放对象实例。
特点：
1.被所有线程共享。
2.在虚拟机启动时创建。
异常
异常类型        发生条件
StackOverflowError        无
OutOfMemoryError        在堆中没有内存来完成实例分配，且堆无法再扩展时，抛出该异常。
内存：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）。
Reminde 🤗
随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术成熟，栈上分配、标量替换 等优化技术将会导致一些微妙的变化发生，
所有的对象都分配在堆上也变得不那么绝对了。
2.5 - 方法区（Method Area）

概述：Java 虚拟机规范将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），目
的是与 Java 堆区分开。
作用：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。
特点：线程共享。
异常
异常类型        发生条件
StackOverflowError        无
OutOfMemoryError        当方法区无法满足内存分配需求时，抛出该异常。
内存：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空间和可以选择固定
大小或者可扩展外，可以选择不实现垃圾收集。
相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，这个区域的内存回收目标主要是针对 常量池的回收 和
类型的卸载。
2.6 - 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

概述：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，还有一项信息就
是常量池。
作用：用于存放编译器生成的各种 字面量 和 符号引用。
动态性：Java 语言并不要求常量池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后才
能进入方法区的运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性用的比较广泛的便是 String 类的
intern() 方法。
异常
异常类型        发生条件
StackOverflowError        无
OutOfMemoryError        因为是方法区的一部分，所以受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时抛出该异常。
Java 虚拟机对 Class 文件的每一部分（包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据类型
必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、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，不同的提供商实现虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域。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该区域中。
2.7 - 直接内存（Direct Memory）

概述：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 异常出现。
作用：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。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来
回复制数据。
异常
异常类型        发生条件
StackOverflowError        无
OutOfMemoryError        受到物理内存限制，动态扩展时无法申请到内存时抛出该异常。
显然，本机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内存（包括
RAM 以及 SWAP 区或者分页大小）大小以及处理器寻址空间的限制，当各个内存区域总和大于物理内存限制
（包括物理和操作系统级的限制）时会出现异常。
3.HotSpot 虚拟机对象探秘

这一部分内容将以 HotSpot 虚拟机和常用的内存区域 Java 堆为例，阐述对象分配、布局和访问的全过程。
3.1 - 对象的创建

概述：Java 是一门面向对象的编程语言，在 Java 程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层
面上，创建对象通常仅仅是一个 new 关键字而已，而在虚拟机中对象的创建则分为以下几个步骤。
3.1.1 - 类加载

概述：虚拟机遇到一条 new 指令时，首先将去检查指令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。
3.1.2 - 分配内存

概述：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。

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