Java内存区域与内存溢出异常

对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写分配对的delete/free代码（C++中的内存释放方式），不容易出现内存泄漏和内存溢出的问题，由虚拟机管理内存，这一切看起来都很美好。不过，正因为Java程序员把内存控制权利交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎么使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

1. 运行时数据区域

分为下面几大类：程序计数器 ，Java虚拟机栈，本地方法栈，Java堆，方法区，运行时常量池，直接内存。

• 程序计数器：一块较小的内存空间，字节码解释器工作时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需要依赖计数器来完成。每个线程都有自己的程序计数器，互不干扰。

• Java虚拟机栈：和程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是方法执行时的内存模型。此地方说的是虚拟机栈中局部变量表部分，局部变量表在编译器存放各种基本数据类型、对象引用。局部变量表所需的内存空间是在编译期完成分配，方法在执行的不会改变大小。

• 本地方法栈：和Java虚拟机栈相似，本地方法栈为使用到的Native方法服务。

• Java堆：线程共享的内存区域，所有对象实例以及数组都要在堆上分配，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微妙的变化发生，所有的对象分配在堆上并不是那么绝对了。Java堆又被称为“GC堆”，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可细分为：新生代和老年代。

• 方法区：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。对于Hotspot虚拟机来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”，本质上两者不是等价的，仅仅是因为Hotspot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说用永久代来实现方法区。对于其他虚拟机来说（BEA JRockit，IBM J9）是不存在永久代的概念的。对于Hotspot来说，这样会存在内存溢出的问题（-XX：MaxPremSize的上限问题），其它的虚拟机则不会有该问题，对于32位系统来说，只要不超过操作系统的4GB就不会有问题。最新版的JDK1.7已经将字符串常量池从永久代中移除了。

• 运行时常量池：是方法区的一部分。用于存放编译器生成的各种字面量、符号引用和翻译出来的直接引用。String的 Intern是利用运行时常量池的动态特性最常用的。

• 直接内存：并不是Java虚拟机运行时数据区的一部分，也不是java虚拟机规范中的定义的内存区域。但这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致 OutOfMemoryError异常。例如，Java中的NIO，引入了一种基于通道（ Channel）和缓冲区（Buffer）的I/O方式，他可以使用Native函数库直接申请堆外内存，然后通过存储在Java堆中的一个DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样在一些场景中提高了效率，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

2.OutOfMemoryError异常

• Java堆溢出：模拟代码如下

  运行时讲Jvm的运行参数设置为：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8

  public class HeapOOM {
  
      static class OOMObject {
  
      }
  
      public static void main(String[] args) {
  
          List oomObjectList = new ArrayList<>();
  
          while (true) {
              oomObjectList.add(new OOMObject());
          }
      }
  }

  添加-XX:+HeapDumpOnOutMemoryError JVM运行参数可以在内存运行时产生hprof文件（JVM内存转储快照，可以使用VisulVM进行分析下载地址）。如果是内存泄漏，可以通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链（什么是GC ROOT），于是就能找到泄漏对象通过什么路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的，然后就能确定代码位置了。
  内存溢出和内存泄漏的区别

• **虚拟机栈和本地方法栈溢出：**Hotspot虚拟机中不区分虚拟机栈和本地方法栈，-Xss可以设置栈容量（-Xoss无用）。存在两种异常：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；如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，将抛出OutOfMemoryError异常。模拟代码如下：

  /**
   *@VM Args -Xss128K
   */
  public class JavaVmStackSOF {
      private int stackLength = 1;
  
      public void stackLeak() {
          stackLength++;
          stackLeak();
      }
  
      public static void main(String[] args) {
          JavaVmStackSOF javaVmStackSOF = new JavaVmStackSOF();
          try {
              javaVmStackSOF.stackLeak();
          } catch (Throwable e) {
              System.out.println("Stack Length: " + javaVmStackSOF.stackLength);
              throw e;
          }
      }
  }

• 方法区和运行时常量池溢出：通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小，同时可以间接限制其中常量池的容量。下面代码只适用JDK1.6，JDK1.7不会报错，会一直运行下去：

  /**
   * Created by jiaxiuya
   * VM Args:-XX:PermSize10M  -XX:MaxPermSize10M
   *
   * @Date 2016/5/11 21:01.
   * @Version nothing
   */
  public class RuntimeConstantPoolOOM {
      public static void main(String[] args) {
          //适用List保持着常量池的引用，避免FULL GC回收常量池的行为
          List list = new ArrayList<>();
          int i = 0;
          while (true) {
              list.add(String.valueOf(i++).intern());
          }
      }
  }

  方法区溢出测试：

  /**
   * Created by jiaxiuya
   * 
  
   * * VM Args:-XX:PermSize10M  -XX:MaxPermSize10M
   *
   * @Date 2016/5/14 16:30.
   * @Version nothing
   */
  public class JavaMethodAreaOOM {
  
      public static void main(final String[] args) {
          while (true) {
              Enhancer enhancer = new Enhancer();
              enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
              enhancer.setUseCache(false);
              enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                  @Override
                  public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                      return methodProxy.invoke(o, objects);
                  }
              });
              enhancer.create();
          }
      }
  
      static class OOMObject {
      }
  }

• 本机直接内存溢出
  略