JVM内存模型与内存溢出异常

本文摘自深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践第2版
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，有些区域依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包含以下几个运行时数据区域。

程序计数器

程序计数器是一块很小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的模型概念里，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，这个计数器记录得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虚拟机规范中没有任何规定OutOfMemoryError情况的区域。

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。每一个方法从第哦啊用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

经常有人把Java内存区分为堆内存和栈内存，这种分法只能说明大多数程序员关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块，其中所指的“堆”笔者在后面会专门讲述，而所指的”栈“就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（byte、short、int、long、boolean、char、float、double）、对象引用和returnAddress类型。其中64位长度的long和double类型的数据会占据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，对这个区域规定了中异常情况：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；如果虚拟机可以动态扩展（当前大部分虚拟机都可），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，他们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行java方法（字节码）服务。而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中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（Sun HotSpot）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。

Java堆

对于大多数应用来说，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放对象实例，几乎所有的对象实例都是在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。因此很多时候也被称作”GC堆”。从内存回收的角度来看，由于现在的收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代：再细致一点的有Eden空间、grom Survivor空间、To Survivor空间等。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。不过无论如何划分，斗鱼存放内容无关，无论哪个区域，存放的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。

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，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，即可以实现成固定大小的，也可以是扩展的，不过目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，建行会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区与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虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，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，还可以选择不识闲垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如进入了永久代一样“永久”存在了。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’成绩‘比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致的内存泄漏。
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。

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，用于存放编译期生成的各种自变量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

Java虚拟机对Class文件的每一部分的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过，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。

运行时常量池相对于Class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产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用的比较多的便是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，当常量池中无法在申请到内存时会抛出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。但是这部分内存也被频繁使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所以放在这里一起讲。
在JDK1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道与缓冲区的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。这样能在一些场合中显著提高性能，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，肯定还是会收到本机总内存（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。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，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。