Java内存区域与内存溢出异常

Posted 2020-08-04

一、概述

Java作为高级语言，不算一个完全独立的体系，通常依赖于底层的操作系统，但却管理维护着java虚拟内存，“Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的‘高墙’，墙外面的人想进来，墙里面的人却想出来”。

在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，java程序员不需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，却不容易出现内存泄漏和内存溢出（内存泄漏：内存分配出去后，不管使用者有没有完成自己的工作，也一直占据着这些内存，无法回收；内存溢出：运行时出现实际内存不足以支撑所需内存的问题。）

虽然虚拟机管理内存，让我们觉得使用java编程看起来很自动化，但是在我们实际开发过程中，并非绝对不会出现内存泄漏或内存溢出方面的问题。

 

二、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这几个不同的区域：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、java堆、方法区。

1、程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

我们知道，虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式实现的。一个处理器内核，同一时刻只执行一条线程指令，每条线程需要一个独立的程序计数器，各个线程之间计数器就互不影响，独立存储（线程私有）。

若线程正在执行的是Java方法，计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；若线程执行的是Native方法（本地方法，即由java调用的非java代码接口，如C），则计数器值为空（Undefined）。

程序计数器区域是唯一一个在Java虚拟机的规范中，没有规定任何OutOfMemoryError（内存溢出）情况的区域。

2、虚拟机栈

线程方面，同样也是线程私有，虚拟机栈用于执行Java方法，每个方法执行的同时，都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接，方法出口等信息，从方法调用到执行完成，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法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。

若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（栈溢出）；若虚拟机栈可以动态扩展，且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

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方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。与虚拟机一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4、Java堆

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域。

大部分来说，Java堆（Java Heap）是java虚拟机所管理的内存中最大的一块，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，但对象不绝对分配在Java堆上。

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”，从内存回收的角度来看，由于现在的收集器基本上都采用分代收集算法，所以java堆中还可以细分为若干区域，但不管怎么分，无论哪个区域，存储的仍然是对象实例，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。

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，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，通过-Xmx和-Xms控制。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。

5、方法区

方法区是各线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常亮、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

Java虚拟机规范把方法区描述为对堆的一个逻辑部分，但它却有一个别名Non-Heap（非堆），目的应该是与java堆区分开。Hotspot的垃圾收集器像管理java堆一样管理方法区，但是虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和java堆一样不需要物理上连续内存和可以选择固定大小或者可可扩展外，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，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，但回收成绩比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻。

根据java虚拟机规范，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。