Java内存区域与内存溢出异常

　　Sun官方定义的Java技术体系包含：Java程序设计语言，各类硬件平台上的Java虚拟机，Class文件格式，Java API类库和来自商业机构和开源社区的第三方Java类库。

　　Java程序设计语言，Java虚拟机，Java API类库这三部分统称为JDK，JDK是用于支持Java程序开发的最小环境。Java API类库中的Java SE API子集和Java虚拟机这两部分称为JRE，JRE是支持JAVA程序运行的标准环境。

　　Java技术体系能够分为4个平台，分别为：

　　　　Java Card：支持一些Java小程序运行在小内存设备上的平台

　　　　Java ME(micro edtion)：支持Java程序运行在移动终端上的平台，对Java API有所精简，并加入了针对移动终端的支持，之前称为J2ME

　　　　Java SE(standard edition)：支持面向桌面级应用的Java平台，提供了完整的Java核心API，之前称为J2SE

　　　　Java EE(enterprise edition)：支持使用多层架构的企业应用的Java平台。之前称为J2EE

　　

　　Java虚拟机会在执行Java程序的过程当中会把它所管理的内存划分为以下不一样的数据区域：方法区(method area)，虚拟机栈(vm stack)，本地方法栈(native method stack)，堆(heap)和程序计数器(program counter register)。

　　程序计数器

　　　　程序计数器是一块较小的内存空间，它能够看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在JVM的概念模型里，字节码解释器工做时就是经过改变计数器的值来选取下一条须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须要依赖这个计数器来完成。因为JVM的多线程是经过线程轮流切换并分配处理器质性时间的方式来实现的，在任何一个肯定的时间，一个处理器只会执行一条线程中的指令。所以每条线程都须要一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，咱们称这类内存区域为“线程私有”的内存。若线程正在向执行的是一个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；若正在执行的是native方法，这个计数器值则为空(Undefined)。此内存区域是惟一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError状况的区域。

　　Java虚拟机栈

　　　　JVM Stack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，每一个方法在执行的同时会建立一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表，操做数栈，动态连接，方法出口等。每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。虚拟机栈中的局部变量表存放了编译器可知的各类基本数据类型，对象引用和returnAddress类型(指向了一条本身码指令的地址)。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)，其他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，这个方法在帧中分配多大的局部变量空间时完成肯定的，在方法运行期间时不会改变局部变量表的大小。JVM规范中对JVM Stack定义了两种异常状况：若线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的深度，将抛出StackOverflowError异常。若虚拟机能够动态扩展而且扩展时没法申请到足够的内存时，会抛出OutOfMemoryError异常。

　　本地方法栈

　　　　本地方法栈位JVM使用到的Native方法服务。JVM规范中对本地方法栈中使用过的语言，方式与数据结构并无强制规定。本地方法栈会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

　　Java堆

　　　　Java Heap是Java JVM所管理的内存中最大的一块。Java Heap是被全部线程共享的一块内存，在虚拟机启动时建立。此内存区域的惟一目的是存放对象实例。Java Heap是垃圾收集器管理的主要区域。也称为GC堆(garbage collected heap)。垃圾回收器基本采用分代收集算法，所以Java Heap中还能够细分为新生代和老生代。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中能够划分出多个线程私有的分配缓冲区(thread local allocation buffer, TLAB)。JVM规范的规定，Java堆能够处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是联系的便可。若在堆中没有内存完成实例分配，而且堆也没法再扩展时，就会抛出OutOfMemoryError异常。

　　方法区

　　　　Method Area是各个线程共享的内存区域，用于存储已被JVM加载的类信息，常量，静态变量，即时编辑器编译后的代码等数据。JVM规范把方法去描述为堆的一个逻辑部分，也称Non-Heap。方法区不须要连续的内存和能够选择固定大小或扩展，还能够选择不实现垃圾回收。方法区的垃圾回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。当方法区没法知足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

　　　　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，还有一项是常量池，用于存放编译期生成的各类字面量和符号引用。运行时常量池具有动态性，Java语言并不要求常量必定只有编译期才能产生，即并不是预置Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也能够将新的常量放入池中(调用String的intern()方法)。　

 

　　直接内存(Direct Memory)：NIO引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区(buffer)的I/O方式，可使用Native函数库直接分配堆外内存，而后经过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象做为这块内存的引用进行操做。本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，可是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制，当各个内存区域总和大于物理内存限制从而致使动态扩展时会出现OutOfMemoryError异常。

 

HotSpot虚拟机对象 

　　对象的建立

　　　　JVM碰见一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并检查这个符号引用表明的类是否已经被加载，解析和初始化过。若没有，则必须执行相应的类加载过程。

　　　　在类加载检查事后，JVM将为新生对象分配内存。对象所需的内存的大小在类加载完成后即可以彻底肯定，为对象分配空间的任务等同于把一块肯定大小的内存从Java堆中划分出来。假设Java堆中内存是绝对规整的，全部用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另外一边，中间放着一个指针做为分界点的指示器，那么分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪到一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为指针碰撞(bump the pointer)。若Java堆中的内存不是规整的，已使用的内存和空闲的内存想互相交错，虚拟机就必须维护一个列表来记录哪些内存块是可用的，在分配时从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为空闲列表(free list)。选择哪一种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。使用Serial，ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，一般采用空闲列表。

　　　　在并发的状况下，建立对象多是线程不安全的。有两种解决办法：一种是对内存分配空间的动做进行了同步处理(JVM采用CAS配上失败重试的方式保证更新操做的原子性)，另外一种是把内存分配的动做按照线程划分在不一样的空间之中进行，即每一个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲(thread local allocation buffer, tlab)，哪一个线程要分配内存就在哪一个线程的tlab上分配，只有tlab用完病分配新的tlab时，才须要同步，虚拟机是否使用tlab，能够经过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

　　　　内存分配完成后，虚拟机须要将分配到的内存空间都初始化为0。

　　　　JVM要对对象进行必要的设置，如这个对象是哪一个类的实例，对象的哈希码等，这些信息存放在对象的对象头中。

 

　　对象的内存布局

　　　　对象在内存中存储的布局能够分为三块区域：对象头(header)，实例数据(instance data)和对其填充(padding)。

　　　　HotSpot JVM对象头包含两部分信息：一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码，GC分代年龄，锁状态标志，线程持有的锁，偏向线程ID，偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的JVM中分别对应32bit和64bit。官方称之为“Mark Word”。对象头信息是与对象自身定义的数据结构无关的额外存储成本，所以Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽可能多的信息，它会根据对象的状态复用本身的存储空间。在对象处于未被锁定的状态下，Mark Word的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0。

　　　　另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据指针，虚拟机经过这个指针来肯定对象是哪一个类的实例。并非全部的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，即查找对象的元数据信息并不必定要通过对象自己。若对象是一个java数组，那在表头中还必须有一块记录数组长度的数据。实例数据部分是真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的字段内容。这部分存储顺醋会受到JVM分配策略参数(FieldsAllocationStyle)和字段在Java源码中定义的顺序影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles，ints，shorts/chars，bytes/booleans， oops(Ordinary Object Pointers)，从分配策略上来看，相同宽度的字段老是被分配到一块儿。在知足这个前提下，在父类中定义的变量会出如今子类以前。

　　　　对其填充并非必然存在的，它仅仅起着占位符的做用。HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象其实地址必须是8字节的整数倍，当对象实例数据部分没有对齐，则须要经过对其填充来补全。

存储内容	标志位	状态
对象哈希码，对象分代年龄	01	未锁定
只向锁记录的指针	00	轻量级锁定
只向中量级锁的指针	10	膨胀
空，不须要记录信息	11	GC标记
偏向线程ID，偏向时间戳，对象分代年龄	01	可偏向

 

 

 

 

 

　　对象的访问定位

　　　　Java程序须要经过栈上的reference数据来操做堆上的具体对象。reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并无定义这个引用应该经过何种方式去定位，访问堆中对象的具体位置，因此对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

　　　　　　使用句柄访问，Java堆中将会划分出一块内存做为句柄池，reference中存储的几句是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。

　　　　　　使用直接指针访问，Java堆对象的布局中必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接地址就是对象地址。

　　　　使用句柄访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference自己不须要修改。使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。

 

　　Java堆溢出

　　　　只要不断建立对象而且保证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，那么对象数量达到最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。当出现Java堆内存溢出时，异常堆栈信息"java.lang.OutOfMemoryError"会跟着进一步提示"Java heap space"。解决这个区域的异常，通常的手段是先经过内存映像分析工具(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不是必要的，也要了解究竟是出现了内存泄漏(Memory Leak)仍是内存溢出(Memory Overflow)。若内存泄漏，能够经过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链，因而就能够找到泄漏对象是经过怎样的路径与GC Roots相关联并致使垃圾收集器没法自动回收他们的。若不存在内存泄漏，则说明内存中的对象确实是必须存活的，此时应该检查虚拟机的堆参数(-Xmx与-Xms)，与乌力吉内存对比看是否还能够调大，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状况，尝试减小程序运行期的内存消耗。

 

　　虚拟机栈和本地方法栈溢出

　　　　HotSpot虚拟机并不区分虚拟机栈和本地方法栈，虽然-Xoss参数能够设置本地方法栈的大小，但其实是无效的，栈容量只由-Xss参数设定。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：若线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常；若虚拟机在扩张栈时没法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

　　　　在单个线程下，不管是由栈帧太大仍是虚拟机栈容量大小，当内存没法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。

　　　　若不限制单线程，经过不断地创建线程的方式能够产生内存溢出异常。为每一个线程的栈分配的内存越大，反而越容易产生内存溢出异常。所以操做系统分配给每进程的内存是有限制，虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区的这两部份内存的最大值。剩余的内存减去Xmx(最大堆容量)，再减去MaxPermSize(最大方法区容量)。若虚拟机进程自己耗费的内存不计算在内，剩下的内存就由虚拟机栈和本地方法栈瓜分了。每一个线程分配到的栈容量越大，可创建的线程数量天然越少，创建线程越容易把剩下的内存耗尽。若创建过多线程致使内存溢出，再不能减小线程或更换64位虚拟机的状况下，就只能经过减小最大堆和减小栈容量来换取更多的线程。

 

　　方法区和运行时常量池溢出

　　　　String.intern()是一个Native方法，它的做用是：若字符串常量池中已经包含一个等一此String对象的字符串，则返回表明池中的这个字符串的String对象；不然将此String对象包含的字符串添加到常量池中，而且返回此String对象的引用。能够经过-XX:PermSIze和-XX:MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量。运行时常量池溢出，在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是"PermGen space"。

 

　　本机直接内存溢出

　　　　DirectMemory容量可经过-XX:MaxDirectMemorySIze指定，若不指定，则默认与Java堆最大值同样。由DirectMemory致使的内存溢出，一个明显特征是在Heap Dump文件中不会看见明显异常，若发现OOM以后Dump文件很小，而程序中又直接或间接使用了NIO，能够考虑下是本机直接内存溢出。