JVM：Java内存区域与内存溢出

我就是我 2022-06-16 11:15 294阅读 0赞

## 一.运行时数据区域 ##

6个。**单个线程**独有：线程程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈。**所有线程**共有：JAVA堆，方法区，运行时常量池（本属方法区，java虚拟机划分出来）

**1.程序计数器**：一块**较小的内存空间**，它是当**前线程所执行的字节码的行号指示器**，字节码解释器工作时通过改变该计数器的值来选择下一条需要执行的字节码指令，分支、跳转、循环等基础功能都要依赖它来实现。每条线程都有一个独立的的程序计数器，各线程间的计数器互不影响，因此该区域是线程私有的。  
当线程在执行一个**Java方法**时，该计数器记录的是**正在执行的虚拟机字节码指令的地址**，当线程在执行的是**Native方法**（调用本地操作系统方法）时，该计数器的值为**空**。另外，该内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中么有规定任何OOM（内存溢出：OutOfMemoryError）情况的区域。  
**2.java虚拟机栈：**  
线程私有，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：**每个方法被执行**的时候都会同时**创建一个栈帧**，对于执行引擎来讲，活动线程中，只有栈顶的栈帧是有效的，称为当前栈帧，这个栈帧所关联的方法称为当前方法，**执行引擎**所运行的所有字节码指令都**只针对当前栈帧进行操作**。栈帧用于**存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和一些额外的附加信息**。在编译程序代码时，栈帧中需要多大的局部变量表、多深的操作数栈都已经完全确定了，并且写入了方法表的Code属性之中。因此，一个栈帧需要分配多少内存，不会受到程序运行期变量数据的影响，而仅仅取决于具体的虚拟机实现。

两种异常情况：

1、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。
    
    2、如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

**3. 本地方法栈**（Native Method Stacks）  
该区域与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为使用到的**本地操作系统（Native）方法**服务。

**4.java堆**：  
Java Heap是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，它是所有**线程共享**的一块内存区域。几乎所有的**对象*\****实例和数组\*都在这类分配内存。Java Heap是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为“GC堆”。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处在物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。如果在堆中没有内存可分配时，并且堆也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

**5.方法区** ：方法区也是各个线程共享的内存区域，它用于**存储已经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**。方法区域又被称为“永久代”，但这仅仅对于Sun HotSpot来讲，JRockit和IBM J9虚拟机中并不存在永久代的概念。Java虚拟机规范把方法区描述为Java堆的一个逻辑部分，而且它和Java Heap一样不需要连续的内存，可以选择固定大小或可扩展，另外，虚拟机规范允许该区域**可以选择不实现垃圾回收**。相对而言，垃圾收集行为在这个区域比较少出现。该区域的内存回收目标主要针是**对废弃常量的和无用类的回收**。

**6。.运行时常量池**  
运行时常量池是方法区的一部分，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（Class文件常量池），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文件常量池的另一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入Class文件中的常量池的内容才能进入方法区的运行时常量池，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比较多的是String类的intern（）方法。  
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。  
**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，它直接**从操作系统中分配**，因此不受Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制，因此它也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在JDK1.4中新引入了NIO机制，它是一种基于通道与缓冲区的**新I/O**方式，可以直接从操作系统中分配直接内存，即在堆外分配内存，这样能在一些场景中提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

## 二.内存溢出 ##

各个内存区域溢出测试  
![这里写图片描述][SouthEast]

**多线程情况下，每个线程的栈分配的内存越大，越容易产生内存溢出异常**。操作系统为每个进程分配的内存是有限制的，虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区这两部分内存的最大值，忽略掉程序计数器消耗的内存（很小），以及进程本身消耗的内存，剩下的内存便给了虚拟机栈和本地方法栈，每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数量自然就越少。因此，如果是建立过多的线程导致的内存溢出，在不能减少线程数的情况下，就只能通过**减少最大堆和每个线程的栈容量来换取更多的线程**。  
另外，由于Java堆内也可能发生**内存泄露**（Memory Leak），这里简要说明一下内存泄露和内存溢出的区别：  
**内存泄露**是指**分配出去的内存没有被回收**回来，由于**失去了对该内存区域的控制**，因而造成了**资源的浪费**。Java中一般不会产生内存泄露，因为有垃圾回收器自动回收垃圾，但这也不绝对，当我们new了对象，并保存了其引用，但是后面一直没用它，而垃圾回收器又不会去回收它，这边会造成内存泄露，  
**内存溢出**是指**程序所需要的内存超出了系统所能分配的内存**（包括动态扩展）的上限。

**对象实例化分析**  
对内存分配情况分析最常见的示例便是对象实例化:

Object obj = new Object();

这段代码的执行会涉及**java栈、Java堆、方法区**三个最重要的内存区域。假设该语句出现在方法体中，及时对JVM虚拟机不了解的Java使用这，应该也知道obj会作为引用类型（reference）的**数据保存**在**Java栈的本地变量表**中，而会**在Java堆中保存该引用的实例化对象**，但可能并不知道，**Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据的地址信息**（如对象类型、父类、实现的接口、方法等），**这些类型数据则保存在方法区**中。  
另外，由于reference类型在Java虚拟机规范里面只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过哪种方式去定位，以及访问到Java堆中的对象的具体位置，因此不同虚拟机实现的对象访问方式会有所不同，主流的访问方式有两种：使用**句柄池**和直接**使用指针**。

通过句柄池访问的方式如下：

![这里写图片描述][SouthEast 1]  
通过直接指针访问的方式如下：  
![这里写图片描述][SouthEast 2]

这两种对象的访问方式各有优势，使用句柄访问方式的最大好处就是

reference中存放的是**稳定的句柄地址**，在对象被**移动**（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。使用**直接指针访问方式的最大好处是速度快**，它节省了一次指针定位的时间开销。目前Java默认使用的HotSpot虚拟机采用的便是是第二种方式进行对象访问的。

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