简述 JVM 基础(二):Java内存区域与内存溢出异常

作者 | 井方哥

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概述

我们在进行 Java 开发的时候，很少关心 Java 的内存分配等等，因为这些活都让 JVM 给我们做了。不仅自动给我们分配内存，还有自动的回收无需再占用的内存空间，以腾出内存供其他人使用。但是我们经常面临的一个问题就是内存泄漏，JVM无法完成回收工作，导致内存占用暴涨，最后可能让程序奔溃。本章主要了解下运行时数据区域分布情况以及溢出异常。

说明： 本系列多处摘抄《深入理解Java虚拟机》中内容，主要精简了本书的要点，并叙述自己对本书的理解。本人才疏学浅，文章中有不对的地方，还望批评指教。

运行时数据区域

1、程序计数器

• 线程私有

• 当前线程所执行的字节码的行号指示器

• Java 多线程是通过再一个内核中轮流执行实现的，计数器就保证了切换线程的时候可以回到原来正确的执行位置

• 程序计数器必须每个线程单独一个，是线程私有的内存区域

• 程序计数器是唯一一个 JVM 没有规范 OutOfMemoryError 的区域

2、Java虚拟机栈（java方法）

• 线程私有

• Java方法执行的内存模型，即方法执行时会创建一个栈帧，保存了需要的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息；

• 线程请求的栈深度>JVM允许的深度时，报StackOverflowError；

• 大多数的 JVM 可以动态扩展内存，如果无法申请到足够的内存时，报 OutOfMemoryError;

3、本地方法栈（native方法）

• 同Java虚拟机栈

4、Java堆

• 线程共享

• 唯一目的：存放对象实例

• 分类：新生代、老生代，或者 Eden 空间、From Survior 空间、To Survivor 空间

• 分类目的：更好的回收和分配内存

• 没有内存完成实例分配，或者不能再扩展，报OutOfMemoryError 异常

• 可以自己配置大小（-Xmx和-Xms）

5、方法区

• 线程共享

• 目的：存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据；

• 该区内存回收目标：主要针对常量池的回收和对类型的卸载；

• 无法满足内存分配要求时，报 OutOfMemoryError 异常

6、运行时常量池

• 注意：运行时常量池属于方法区

• 目的：存储编译期生成的各种字面量和符号引用

• 特征：并非只有编译期置入 Class 文件中的常量池内容才能进入运行时常量池，在运行期间也可以置入新的常量，比如 String 的intern() 方法；

• 无法申请足够内存时，报 OutOfMemoryError 异常

直接内存

• 非运行时数据区域内存

• Native 函数分配堆外内存，堆内的 DirectByteBuffer 作为这块内存的引用

• 性能显著提高，避免了 Java 堆和 native 之间来回复制数据

对象

1、New对象过程

• new 指令发出

• 检查 new 的参数是否在常量池中存在这个 Class 的符号引用

• 检查对应的 Class 是否已经初始化

• 若没有则先执行初始化过程

• 分配内存，检查堆是否规整（垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定）

• 规整：指针碰撞方式分配内存

• 不规整：空闲列表方式分配内存

• 内存空间初始化为零值（不包括对象头）

• 对对象进行重要的配置

• 执行 < init > 方法

2、对象的内存布局

对象头(Mark Word)

• 自身运行时数据

• GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID

• 类型指针：确定对象是哪个Class的实例

实例数据

• 存储有效信息，定义的各种字段

• 相同宽度的字段总是被分配到一起

对齐填充

• 不一定存在

• 实例数据没有对齐，需要填充

3、对象的访问定位

• 句柄（reference）：

• 堆中划分句柄池

• 句柄地址

• 到对象实例数据的地址

• 到对象类型的地址

• 优势：稳定，对象移动时，（如GC时会移动），这个时候只改变指针地址。句柄信息不变，相对稳定;

• 指针：

• 直接存储了上述的对象地址

• 优势：速度快

OOM

• 堆溢出：举例一直 new 新的实例对象

• 栈溢出：举例无限循环调用执行某个方法

• 方法区和运行时常量池溢出：

• String.intern():如果常量池已存在，则返回 String 对象，如果不存在，则先添加到常量池，再返回 String 对象。

• 动态定义大量的 Class，需要注意内存的回收情况。

小结

程序运行时，需要不停的将数据在内存中分配、计算等。JVM 将不同类型的数据放在不同的位置，这样分工才能够让程序有序的跑起来。我们所定义的方法，以及 new 的对象实例都分别存在方法区和堆中，这两个区域是属于内存共享的地方，也就是说任何线程取的都是一样的。但是，因为有线程的存在。所以，我们需要给线程必要的私有空间。故，在程序运行的时候，我们通过栈来保存该线程自由的局部变量、引用等，通过程序计数器保存了各个线程的执行位置。这样，在线程切换的时候，才能找到自己的上一次执行位置，继续完成未完成的工作。如果，程序执行过程中没有足够的空间分配，就报对应的 OOM 异常。