Java内存区域与内存溢出异常 - 运行时数据区

一、运行时数据区

1.1 程序计数器 - 线程私有

可以看做当前线程所执行的字节码行号指示器，在任意时刻一个处理器（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。所以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线程计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。

线程执行方法：

• Java 方法 - 线程计数器记录虚拟机字节码指令的地址
• Native 方法 - 计数器为空（Undefined）

此区域是唯一一个不会产生 OutOfMemoryError 情况的区域

1.2 Java 虚拟机栈 - 线程私有

每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

1.2.1 局部变量表

局部变量表存放了编译期可知的各种 Java 虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和 returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中 64 位长度的 long 和 double 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。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，这个方法需要在栈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。请读者注意，这里说的“大小”是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间（譬如按照1个变量槽占用32个比特、64 个比特，或者更多）来实现一个变量槽，这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。

上面的描述可能比较难记忆和理解，我们可以通过 JDK 提供的 javap 命令来反汇编一个 class 文件看看。

先编写一个类，Main 方法中定义基本类型和应用类型：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        boolean isBooleanType = true;
        byte byteType = 24;
        char charType = 's';
        short shortType = 16;
        float floatType = 32;
        long longType = 648;
        double doubleType = 64;
        int intType = 11;
        People people = new People("张三", 18);
        System.out.println("Hello world!");
    }
}

通过 java 运行得到 .class 字节码文件，然后通过 javap -l Main.class 命令反汇编查看行和局部变量表：

Compiled from "Main.java"
public class com.snails.Main {
  public com.snails.Main();
    LineNumberTable:
      line 5: 0
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
          0       5     0  this   Lcom/snails/Main;

  public static void main(java.lang.String[]);
    LineNumberTable:
      line 7: 0
      line 8: 2
      line 9: 5
      line 10: 8
      line 11: 12
      line 12: 16
      line 13: 21
      line 14: 26
      line 15: 30
      line 16: 43
      line 17: 51
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
          0      52     0  args   [Ljava/lang/String;
          2      50     1 isBooleanType   Z
          5      47     2 byteType   B
          8      44     3 charType   C
         12      40     4 shortType   S
         16      36     5 floatType   F
         21      31     6 longType   J
         26      26     8 doubleType   D
         30      22    10 intType   I
         43       9    11 people   Lcom/snails/entity/People;
}

可以看到 longType 的 Slot 索引位置是6 到下一个 doubleType 的索引位置 8 确占用 2 个变量槽，doubleType 同理。验证了上面所说的变量槽 Slot 占用大小。

异常情况抛出如下：

if (线程请求的栈深度 > 虚拟机所允许的深度) {
    throw new StackOverflowError();
} else {
    throw new OutOfMemoryError();
}

1.3 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定，因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它，甚至有的 Java 虚拟机（譬如Hot-Spot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，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

1.4 Java 堆

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。Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此一些资料中它也被称作“GC堆”。从回收内存的角度看，由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以Java堆中经常会出现“新生代”“老年代”“永久代”“Eden空间”“From Survivor空间”“To Survivor空间”等名词。在十年之前（以G1收集器的出现为分界），作为业界绝对主流的HotSpot虚拟机，它内部的垃圾收集器全部都基于“经典分代”[3]来设计，需要新生代、老年代收集器搭配才能工作，在这种背景下，上述说法还算是不会产生太大歧义。但是到了今天，垃圾收集器技术与十年前已不可同日而语，HotSpot里面也出现了不采用分代设计的新垃圾收集器，再按照上面的提法就有很多需要商榷的地方了。

根据《Java虚拟机规范》的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。

Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数 -Xmx 和 -Xms 设定）。如果在 Java 堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

1.5 方法区

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型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

JDK 8以前，许多Java程序员都习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序，很多人都更愿意把方法区称呼为“永久代”（PermanentGeneration），或将两者混为一谈。

到了JDK 7的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出，而到了JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

这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效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。

根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。

1.6 运行时常量池

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表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

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，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是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。

1.7 直接内存

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 堆里面的 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。

显然，本机直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置-Xmx等参数信息，但经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError 异常。