Java虚拟机--Java内存区域与内存溢出异常

比眉伴天荒 2021-09-23 16:24 326阅读 0赞

### Java内存区域与内存溢出异常 ###

*  一、简述
 *  二、运行时数据区域
 *   *   *   *   *  1. 程序计数器
                 *  2. Java虚拟机栈
                 *  3. 本地方法栈
                 *  4. Java堆
                 *  5. 方法区
                 *  6.运行时常量池
                 *  7. 直接内存

# 一、简述 #

C/C++在内存管理领域既是拥有最高权力的“皇帝”又是从事最基础工作的“劳动人民”——既拥有每一个对象的“所有权”，又担负着每一个对象生命开始到终结的维护责任。

而对于Java在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存这一切看起来都很美好。

不过，也正是因为Java程序员把内存控制的权力交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

# 二、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。

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##### 1. 程序计数器 #####

程序计数器（Program Counter Register）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。  
在虚拟机的概念模型里，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。  
由于Java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来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，这类内存区域称为“线程私有”的内存。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 #####

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，每个方法在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。每一个方法从屌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器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。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，这个方法需要在帧种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：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，如果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 #####

本地方法栈与虚拟机栈的区别：  
虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，本地方法栈则为虚拟机使用的Native方法服务。

##### 4. Java堆 #####

> Java堆是垃圾收集器的主要区域，因此很多时候也被成为“GC堆”。

Java堆是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。  
Java虚拟机规范中，所有的对象实例一级数组都要在堆上分配，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没那么“绝对”了。  
从内存回收的角度来看，Java堆还可细分为：新生代和老年代，再细致一点分为：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆种可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（TLAB）。

##### 5. 方法区 #####

方法区域Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。  
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。

##### 6.运行时常量池 #####

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译器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存放。  
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，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。

##### 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。但这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常的出现。  
在JDK 1.4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避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。  
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。

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