Java 内存区域与内存溢出异常

Posted 2020-09-08

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。

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。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要由一个独立的程序计数器。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Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.Java虚拟机栈

    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：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、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、对象引用和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。64位长度的long和double占用两个局部变量空间（Slot），其余的占用1个。

    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，扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

3.本地方法栈

    与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。抛出的异常也相同。

4.Java堆

    Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，是所有线程所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（并不绝对）。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，为了更好的回收内存或者更快地分配内存，可以进一步划分，Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

    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。既可以固定大小，也可以可扩展。若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。

5.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。HotSpot虚拟机的设计团队把GC分代收集扩展至方法区，或者说是使用永久代来实现方法区。然而使用永久代实现方法区，更容易遇到内存溢出问题（永久代有 -XX：MaxPermSize的上限），所以在JDK1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。Java虚拟机规范堆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，而且难以令人满意，但是这部分区域的回收还是必要的，回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

    当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

6.运行时常量池（Runtime Constant Pool）

   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，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，除了符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。运行时常量池具备动态性，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边是String类的intern（）方法。

   既然运行时常量池是方法区的一部分，自然收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。

7.直接内存

    直接内存并不是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。

    在JDK1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于Channel与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。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。