Java内存区域与内存溢出异常（一）——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包括以下几个运行时数据区域，如下图所示：

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各个区域存储数据：

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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行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各自虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释工作时就是通过改变这个计数器的值来选取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。
• 每条线程都有一个独立的程序计数器，独立存储，称这类内存区域为“线程私有”的内存。
• 如果线程执行的是一个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，这个计数器则为空（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。

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）用来存储局部变量、操作数、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。
• 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（reference类型）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。其中64位的long和double类型的数据占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间分配完成，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。
• Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分Java虚拟机都可以动态扩展），在扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

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。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语音、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（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就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。

Java堆

• 对于大多数应用程序来说，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。但随着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逐渐变得不那么“绝对”了。
• Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，根据分代分区又可以分为：新生代和老年代；Eden区、From Survivor区、To Survivor区等。从内存分配的角度来看，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）。
• Java堆可以处以物理上不连续的空间，可以固定大小，也可以扩展（通过-Xms和-Xmx控制），如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再进行扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区（堆的一个逻辑部分）

• 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Non-Heap（非堆），目的应该是与Java对区分开来。
• 对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署的开发者来说，很多人都更愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队把GC分代收集扩展至方法区，或者说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堆一样管理这部分内存，那个省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）是不存在永久代概念的。永久代可能会遇到内存溢出问题（-XX:MaxPermSize），逐步被放弃。目前已经发布的JDK 1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。
• Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，可以不连续、可以选择固定或可扩展、可以选择不实现垃圾回收。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，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。该区域无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池（方法区的一部分）

• 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），用于存放编译期间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。当常量池无法申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

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。但是这一部分内存也被频繁地使用，而且可能导致OutOfMemoryError异常出现。
• 在JDK 1.4中引入的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函数直接分配对外内存，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。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，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。