第二张 Java内存区域与内存溢出异常

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。

运行时数据区包括(方法区【Mehod Area】、虚拟机栈【VM Stack】、本地方法栈【Native Method Stack】、堆【Heap】、程序计数器【Program Counter Register】)

执行引擎-->本地库接口-->本地方法库

2.2.1 程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间，它的作用可以看做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(仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现)，字节码解析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)只会执行一条线程的指令。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，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“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

2.2.2 Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)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：每个方法被执行的时候都会同事创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。【栈帧是方法运行期的基础数据结构】

局部变量表存放了编译期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，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象其实地址的引用指针，也可能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)。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(Slot)，其余的数据类型只占用1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。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：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(当前大部分的Java虚拟机都可以动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈)，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.3 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，其区别不过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Native方法服务。虚拟机规范中队本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如Sun HotSpot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，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

2.2.4 Java堆

对于大多数应用来说，Java堆(Java Heap)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区域，在虚拟机启动时创建。

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，

Java虚拟机规范中描述：所有的对象实例都以及数组都要在堆上分配，但随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的的逐渐成熟，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变得不是那么“绝对”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做"GC堆"(Garbage Collected Heap)。 如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。如果从内存分配的角度看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。

Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续的即可。当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(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。

2.2.5 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信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆)，目的应该是与Java堆区分开来。

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。这个区域内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

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。

2.2.6 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(Constant Pool Table)，用于存放编译期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。

一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

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，自然会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。

2.2.7 直接内存（Direct Memory）

在JDK1.4中新加入NIO(New Input/Out put)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。

2.3 对象访问

Object obj = new Object();

"Object obj "这部分语义将会反应到Java栈的本地变量表中，作为一个reference类型数据出现。而"new Object()"这部分的语义将会反映到Java堆中，形成一块存储了Object类型所有实例数据值(Instance Data，对象中各个实例字段的数据)的结构化内存，根据具体类型以及虚拟机实现的对象内存布局(Object Memory Layout)的不同，这块内存的长度是不固定的。另外，在Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据(如对象类型、父类、实现的接口、方法等)的地址信息，这些类型数据则存储在方法区中。

主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针

2.4 实战OutOfMemoryError异常

2.4.1 Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例，我们只要不断地创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，就会在对象数据量到达最大堆的容量限制后长生内存溢出异常。

实例2-1中限制Java堆的大小为20M，不可扩展(将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为一样即可避免堆自动扩展)，通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryEorror可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析。

在VM arguments中添加如下参数

-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M  -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8  -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 

代码清单2-1 Java堆内存溢出异常测试

public class HeapOOM {

	/**
	 * VM Args:-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemmoryError
	 * @author lester
	 */
	static class OOMObject{
		
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
		
		while(true){
			list.add(new OOMObject());
		}
	}

}

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid6908.hprof ...
Heap dump file created [33716192 bytes in 0.928 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

要解决这个区域的异常，一般的手段是首先通过内存映像分析工具(如Eclipse Memory Analyzer)对dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必要的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄露(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow)

如果是内存泄露，可进一步通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄露对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们。

如果不存在泄露，换句话说就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数(-Xmx与-Xms)，与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。

2.4.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

由于在HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此对于HotSpot来说，-Xoss参数(设置本地方法栈大小)虽然存在，但实际上是无效的，栈容量只由-Xss参数来设定。关于虚拟机栈和本地方法栈，在Java虚拟机规范中描述了两种异常

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常

如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常

使用-Xss参数减少栈内存容量。

代码清单2-2 虚拟机栈和本地方法栈OOM测试(仅作为第1点测试程序)

package com.lester.unit2;

public class JavaVMStackSOF {

	private int stackLength = 1;
	/**
	 * VM Args:-Xss128k
	 */
	public static void main(String[] args) throws Throwable{
		JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF(); 
		try{
			oom.stackLeak();
		}catch(Throwable e){
			System.out.println("stack length:"+oom.stackLength);
			throw e;
		}
	}
	
	public void stackLeak(){
		stackLength++;
		stackLeak();
	}

}

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError

实验结果表明：在单个线程下，五路是由于栈帧太大，还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。

使用虚拟机默认参数，栈深度在大多数情况下(因为每个方法压入栈的帧大小并不是一样的，所以只能说大多数情况下)达到1000~2000完全没有问题。但如果是建立过多线程导致的内存溢出，在不能减少线程数或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。

2.4.3 运行时常量池溢出

如果要向运行时常量池中添加内容，最简单的做法就是使用String.intern()这个Native方法。该方法的作用是:如果池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此String对象的引用。由于常量池分配在方法区内，我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPerSize限制方法区的大小，从而间接限制其中常量池的容量。

代码清单2-4 运行时常量池导致的内存溢出

public class RuntimeConstantPoolOOM {

	/**
	 * VM Args:-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
	 * @author lester
	 */
	public static void main(String[] args) {
		//使用List保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
		List<String> list = new ArrayList<String>();
		//10MB的PermSize在integer范围内足够产生OOM了
		int i = 0;
		while(true){
			list.add(String.valueOf(i++).intern());
		}
	}

}

运行结果

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

2.4.4 方法区溢出

方法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。基本的思路是运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。

在经常动态生成大量Class应用中，需要特别注意类的回收状况。这类场景除了上面提到的程序使用了CGLib字节码增强外，常见的还有：大量JSP或动态产生JSP文件的应用(Jsp第一次运行时需要编译为Java类)、基于OSGi的应用(即使是同一个类文件，被不同的加载器加载也会视为不同的类)

2.4.5 本机直接内存溢出

DirectMemory容量可通过-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆的最大值(-Xmx指定)一样。