JVM 内存区域的划分

前言

本博文将从内存管理的角度，进一步探索 Java 虚拟机（JVM）。垃圾收集机制为我们打理了很多繁琐的工作，大大提高了开发的效率，但是，垃圾收集也不是万能的，懂得 JVM 内部的内存结构、工作机制，是设计高扩展性应用和诊断运行时问题的基础，也是 Java 工程师进阶的必备能力。

本篇博文的重点是，谈谈 JVM 内存区域的划分，哪些区域可能发生 OutOfMemoryError？

概述

通常可以把 JVM 内存区域分为下面几个方面，其中，有的区域是以线程为单位，而有的区域则是整个 JVM 进程唯一的。

首先，程序计数器（PC，Program Counter Register）。在 JVM 规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，并且任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的 Java 方法的 JVM 指令地址；或者，如果是在执行本地方法，则是未指定值（undefined）。

第二，Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期也叫 Java 栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的 Java 方法调用。

前面谈程序计数器时，提到了当前方法；同理，在一个时间点，对应的只会有一个活动的栈帧，通常叫作当前帧，方法所在的类叫作当前类。如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，成为新的当前帧，一直到它返回结果或者执行结束。JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈。

栈帧中存储着局部变量表、操作数（operand）栈、动态链接、方法正常退出或者异常退出的定义等。

第三，堆（Heap），它是 Java 内存管理的核心区域，用来放置 Java 对象实例，几乎所有创建的 Java 对象实例都是被直接分配在堆上。堆被所有的线程共享，在虚拟机启动时，我们指定的 “Xmx” 之类参数就是用来指定最大堆空间等指标。

理所当然，堆也是垃圾收集器重点照顾的区域，所以堆内空间还会被不同的垃圾收集器进行进一步的细分，最有名的就是新生代、老年代的划分。

第四，方法区（Method Area）。这也是所有线程共享的一块内存区域，用于存储所谓的元（Meta）数据，例如类结构信息，以及对应的运行时常量池、字段、方法代码等。

由于早期的 Hotspot JVM 实现，很多人习惯于将方法区称为永久代（Permanent Generation）。Oracle JDK 8 中将永久代移除，同时增加了元数据区（Metaspace）。

第五，运行时常量池（Run-Time Constant Pool），这是方法区的一部分。如果仔细分析过反编译的类文件结构，你能看到版本号、字段、方法、超类、接口等各种信息，还有一项信息就是常量池。Java 的常量池可以存放各种常量信息，不管是编译期生成的各种字面量，还是需要在运行时决定的符号引用，所以它比一般语言的符号表存储的信息更加宽泛。

第六，本地方法栈（Native Method Stack）。它和 Java 虚拟机栈是非常相似的，支持对本地方法的调用，也是每个线程都会创建一个。在 Oracle Hotspot JVM 中，本地方法栈和 Java 虚拟机栈是在同一块儿区域，这完全取决于技术实现的决定，并未在规范中强制。

正文

首先，为了让你有个更加直观、清晰的印象，我画了一个简单的内存结构图，里面展示了我前面提到的堆、线程栈等区域，并从数量上说明了什么是线程私有，例如，程序计数器、Java 栈等，以及什么是 Java 进程唯一。另外，还额外划分出了直接内存等区域。

这张图反映了实际中 Java 进程内存占用，与规范中定义的 JVM 运行时数据区之间的差别，它可以看作是运行时数据区的一个超集。毕竟理论上的视角和现实中的视角是有区别的，规范侧重的是通用的、无差别的部分，而对于应用开发者来说，只要是 Java 进程在运行时会占用，都会影响到我们的工程实践。

这里简要介绍两点区别：

• 直接内存（Direct Memory）区域，它就是Direct Buffer 所直接分配的内存，也是个容易出现问题的地方。尽管，在 JVM 工程师的眼中，并不认为它是 JVM 内部内存的一部分，也并未体现 JVM 内存模型中。
• JVM 本身是个本地程序，还需要其他的内存去完成各种基本任务，比如，JIT Compiler 在运行时对热点方法进行编译，就会将编译后的方法储存在 Code Cache 里面；GC 等功能需要运行在本地线程之中，类似部分都需要占用内存空间。这些是实现 JVM JIT 等功能的需要，但规范中并不涉及。

如果深入到 JVM 的实现细节，你会发现一些结论似乎有些模棱两可，比如：

• Java 对象是不是都创建在堆上的呢？

我注意到有一些观点，认为通过逃逸分析，JVM 会在栈上分配那些不会逃逸的对象，这在理论上是可行的，但是取决于 JVM 设计者的选择。据我所知，Oracle Hotspot JVM 中并未这么做，所以可以明确所有的对象实例都是创建在堆上。

• 目前很多书籍还是基于 JDK 7 以前的版本，JDK 已经发生了很大变化，Intern 字符串的缓存和静态变量曾经都被分配在永久代上，而永久代已经被元数据区取代。但是，Intern 字符串缓存和静态变量并不是被转移到元数据区，而是直接在堆上分配，所以这一点同样符合前面一点的结论：对象实例都是分配在堆上。

接下来，我们来看看什么是 OOM 问题，它可能在哪些内存区域发生？

首先，OOM 如果通俗点儿说，就是 JVM 内存不够用了，javadoc 中对 OutOfMemoryError 的解释是，没有空闲内存，并且垃圾收集器也无法提供更多内存。

这里面隐含着一层意思是，在抛出 OutOfMemoryError 之前，通常垃圾收集器会被触发，尽其所能去清理出空间，例如：

• 在 java.nio.BIts.reserveMemory() 方法中，我们能清楚的看到，System.gc() 会被调用，以清理空间，这也是为什么在大量使用 NIO 的 Direct Buffer 之类时，通常建议不要加下面的参数，毕竟是个最后的尝试，有可能避免一定的内存不足问题。

-XX:+DisableExplicitGC

当然，也不是在任何情况下垃圾收集器都会被触发的，比如，我们去分配一个超大对象，类似一个超大数组超过堆的最大值，JVM 可以判断出垃圾收集并不能解决这个问题，所以直接抛出 OutOfMemoryError。

从我前面分析的数据区的角度，除了程序计数器，其他区域都有可能会因为可能的空间不足发生 OutOfMemoryError，简单总结如下：

• 堆内存不足是最常见的 OOM 原因之一，抛出的错误信息是 “java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space”，原因可能千奇百怪，例如，可能存在内存泄漏问题；也很有可能就是堆的大小不合理，比如我们要处理比较可观的数据量，但是没有显式指定 JVM 堆大小或者指定数值偏小；或者出现 JVM 处理引用不及时，导致堆积起来，内存无法释放等。
• 而对于 Java 虚拟机栈和本地方法栈，这里要稍微复杂一点。如果我们写一段程序不断的进行递归调用，而且没有退出条件，就会导致不断地进行压栈。类似这种情况，JVM 实际会抛出 StackOverFlowError；当然，如果 JVM 试图去扩展栈空间的的时候失败，则会抛出 OutOfMemoryError。
• 对于老版本的 Oracle JDK，因为永久代的大小是有限的，并且 JVM 对永久代垃圾回收（如，常量池回收、卸载不再需要的类型）非常不积极，所以当我们不断添加新类型的时候，永久代出现 OutOfMemoryError 也非常多见，尤其是在运行时存在大量动态类型生成的场合；类似 Intern 字符串缓存占用太多空间，也会导致 OOM 问题。对应的异常信息，会标记出来和永久代相关：“java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space”。
• 随着元数据区的引入，方法区内存已经不再那么窘迫，所以相应的 OOM 有所改观，出现 OOM，异常信息则变成了：“java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace”。
• 直接内存不足，也会导致 OOM