深入理解Java虚拟机--Java内存区域与内存溢出异常

1、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，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7 版）》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，如下图所示：

1.1、程序计数器

        程序计数器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里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），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来完成。

1.2、Java虚拟机栈

       与程序计数器一样，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Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧，用来存储局部变量表、操作数栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法从调用直到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。（我们经常说的把Java内存区分为堆内存和栈内存，这里所指的"栈"就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。）

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

在Java虚拟机规范中，对虚拟机栈这个区域规定了两种异常情况： 
1、如果线程请求的栈深度 > 虚拟机栈的允许最大深度，将抛出StackOverflowError 
2、如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分Java虚拟机都可支持动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定大小的虚拟机栈)，如果扩展时无法申请到足够的内存是，抛出 OutOfMemoryError 异常。

（分享一篇博客：https://blog.csdn.net/ychenfeng/article/details/77247807）

1.3、本地方法栈

        本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别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。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

（分享博客：JVM内存模型：虚拟机栈与本地方法栈、JVM 之内存结构的探索：究竟什么是堆，什么又是本地方法栈、JVM的本地方法栈）

1.4、Java堆

        对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。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这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配内存，但是随着JIT编译器的发展与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，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“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；在细致一点的有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。不过无论如何划分，都与存放内容无关，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。

        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，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现固定大小的，也可以是扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的。如果在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。
1.5、方法区

       方法区与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），目的应该是与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。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样"永久"存在了。这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，一般来说，这个区域的回收"成绩"比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。

1.6、运行时常量池

       运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（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，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会产生，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，这种特性被开发人员利用的比较多的便是String类的 intern() 方法。

        既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

1.7、直接内存

       直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。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。

• 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总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。（本机直接内存的分配不会受到Java 堆大小的限制，受到本机总内存大小限制）
• 服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置 -Xmx 等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。（配置虚拟机参数时，不要忽略直接内存，防止出现OutOfMemoryError异常）点分享