聲明： 《深入理解Java虛擬機 JVM高級特性與最佳實踐 第2版》。以下內(nèi)容來自書中第二章硼莽。

1. JVM概述

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫球散，JVM是一種用于計算設(shè)備的規(guī)范绕辖，它是一個虛構(gòu)出來的計算機颊乘，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的歧蒋。
引入Java語言虛擬機后，Java語言在不同平臺上運行時不需要重新編譯偿曙。Java語言使用Java虛擬機屏蔽了與具體平臺相關(guān)的信息氮凝，使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加修改地運行???????????? ——百度百科

可以將JVM理解成一臺機器望忆，這個機器可以用來執(zhí)行java程序罩阵。這樣java代碼就可以實現(xiàn)一次編寫竿秆，到處運行了。在不同的機器上配置相應(yīng)的JVM即可稿壁。 在機器上幽钢，JVM實際上也是一個程序。

2. JVM內(nèi)存分配

2.1 運行時數(shù)據(jù)區(qū)域

根據(jù)《Java 虛擬機規(guī)范(Java SE 7 版)》的規(guī)定傅是，Java虛擬機所有管理的內(nèi)存將會包括以下幾個運行時數(shù)據(jù)區(qū)域匪燕，如下圖所示：

javaRunTimeDataArea.png

簡單說一下各個數(shù)據(jù)區(qū)域的作用：

線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域：線程私有區(qū)域都是與線程同生共死的，即生命周期與線程相同喧笔。
線程共享的數(shù)據(jù)區(qū)域：生命周期與JVM相同

程序計數(shù)器：每個線程都有的"小本本"帽驯，線程不是連續(xù)不斷工作的。再次運行時它就要看看“小本本”里的內(nèi)容才知道自己該從什么地方繼續(xù)做下去书闸。
在JVM中的多線程是通過輪流切換的方式執(zhí)行的尼变，在任何時刻一個CPU(相當于多核CPU的一個核)只能運行一個線程。如果某個進程的某個線程占用CPU很長的時間梗劫，那么其他的線程會一直等下去嗎？為了讓用戶不會有：”哇梳侨！我這個傻X計算機怎么這么卡膀韧蚯嫌！“的錯覺。CPU就給了每個線程分配了一個CPU時間丙躏，當線程的CPU時間用完之后，他就會把CPU的計算資源讓出來給其他線程晒旅，等到下次輪到它的時候它再執(zhí)行。所以每個線程都需要一個私有的程序計數(shù)器來記錄自己執(zhí)行到哪兒了废恋。它實際可以理解成一個記錄程序執(zhí)行的字節(jié)碼的行號的指示器。 計數(shù)器只會占用內(nèi)存中很小的一部分空間鱼鼓。

Java虛擬機棧：程序員口中常說的“堆椖馓蹋”大抵說的就是這個區(qū)域中的局部變量表。虛擬機棧是用來描述Java方法執(zhí)行時的內(nèi)存模型迄本。這種描述是通過存儲方法開始執(zhí)行(入棧)到方法結(jié)束(出棧)過程中的局部變量表硕淑、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接及方法的出口等信息來是實現(xiàn)的。方法在執(zhí)行時會創(chuàng)建一個棧幀置媳，用來存儲前面說的各種信息于樟，方法完成，棧幀出棧拇囊。
局部變量表存放了編譯期間可知的各種基本數(shù)據(jù)類型和引用類型隔披，以前上課的時候說的堆棧的時候，老師可能會畫這樣的一張圖：

說的就是這個局部變量表寂拆。局部變量表所需要的內(nèi)存空間在編譯期間就分配完成。
以上可以對棧的作用做個小小的結(jié)論：

1. 只有在方法調(diào)用時抓韩，才為當前棧分配一個幀纠永，然后將該幀壓入棧。
2. 幀中存放了方法的局部變量表谒拴，當方法執(zhí)行完之后尝江，對應(yīng)的幀則從棧中彈出。

JVM規(guī)范中英上，對這個數(shù)據(jù)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：

• StackOverflowError：線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度
• OutOfMemoryError:虛擬機棧動態(tài)擴展時無法申請都足夠的內(nèi)存空間

本地方法棧：與虛擬機棧相似炭序，不過虛擬機棧是為JVM執(zhí)行java方法，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的Native方法服務(wù)苍日。
本地方法棧也可能會出現(xiàn)StackOverflowError和OutOfMemoryError惭聂。

Java堆：對大多數(shù)應(yīng)用來說，這個區(qū)域是JVM所管理的最大的內(nèi)存空間相恃，也是GC重點關(guān)注的區(qū)域辜纲。該區(qū)域被線程共享，存在的目的就是為了存放對象實例拦耐，幾乎所有的對象實例和數(shù)組都要在堆上分配耕腾。如果Java堆中沒有空間可以用來實例化對象，而且也沒法再申請新的內(nèi)存時杀糯，該區(qū)域會拋出OutOfMemoryError扫俺。

方法區(qū)：線程共享區(qū)域，用于存儲已經(jīng)被虛擬機加載的類信息固翰、常量狼纬、靜態(tài)變量、即使編譯器后的代碼等數(shù)據(jù)倦挂。這個區(qū)域也有人稱其為永久代畸颅。方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時也會拋出OutOfMemoryError。 運行時常量池也是方法區(qū)中的一部分方援，class文件會包括類的版本没炒，字段，方法送火，接口等描述信息，也會有個常量池弃衍，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用。這部分內(nèi)容在類加載之后進入到方法區(qū)的運行時常量池中存放镜盯。該區(qū)域具有動態(tài)性速缆，即常量不一定是編譯期間就確定的恩闻，在運行期間也可以有新的常量產(chǎn)生，進入運行時常量池中破停。

3. 異常代碼實戰(zhàn)

實戰(zhàn)一下數(shù)據(jù)提供的代碼尉剩，旨在對運行時數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)存分配和使用有更深的理解，當出現(xiàn)相關(guān)異常的時候能夠快速地定位到異常區(qū)域和異常代碼晤碘。

首先了解一下IDEA如何配置JVM啟動時的參數(shù)园爷。Run—>EditConfigurations

JVMConfiguration.png

JVM相關(guān)配置參數(shù)說明可以通過在CMD中通過java -X查看

JVMargs.png

Java 堆溢出

Java堆是用來存儲對象實例和數(shù)組的童社，只要的不停的創(chuàng)建對象扰楼，且確保對象不會被回收美浦，當對象的數(shù)量達到堆最大的容量限制后，就會產(chǎn)生內(nèi)存溢出異常了蹬竖。下面的JVM參數(shù)設(shè)置了Java堆內(nèi)存的大小為20MB，不可擴展（將最大值-Xms和最小值-Xmx設(shè)為一樣即可避免堆自動擴展）列另。通過參數(shù)-XX：+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以讓虛擬機在出現(xiàn)內(nèi)存溢出異常的時候Dump出當前的內(nèi)存堆轉(zhuǎn)儲快照旦装，以便我們后面的分析。

JVM參數(shù)配置

-Xms20m 
-Xmx20m
-XX：+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX:HeapDumpPath=E:\\heapdump

代碼如下：

public class HeapOOM {
    static class OOMObject{}
    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
    //不停地創(chuàng)建對象店乐，直到OOM
        while(true){
            list.add(new OOMObject());  
        }
    }
}

程序運行結(jié)果如下：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to E:\\heapdump\java_pid8948.hprof ...
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
    at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
    at per.ling.JVMPractice.HeapOOM.main(HeapOOM.java:13)
Heap dump file created [28866091 bytes in 0.206 secs]

使用JDK自帶的內(nèi)存映像分析工具jvisualVM來分析程序dump出來的堆轉(zhuǎn)儲快照响巢。裝入文件后點擊類，我們可以看到類名和它對應(yīng)的實例個數(shù)及占用的內(nèi)存空間含长。

OOMprof.png

打開該文件可以看到OOMObject這個類有810326個實例拘泞，占用內(nèi)存13M左右。這里我們可以看到類實例相關(guān)的情況陪腌，查看概要我們還可以看到相關(guān)的線程及可能出現(xiàn)異常的代碼塊。

OOMprof3.png

虛擬機棧溢出

虛擬機椕醭模可能拋出的異常：

• StackOverflowError：線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度
• OutOfMemoryError:虛擬機堆棧動態(tài)擴展時無法申請都足夠的內(nèi)存空間

JVM參數(shù)如下：

-Xss128k
-XX：+HeapDumpOnStackOverflowErrow
-XX:HeapDumpPath=E:\\heapdump

代碼如下：

public class StackOOM {

  private static long stackLength = 0L;

  public static void main(String[] args) {
    try {
      stackLeak();
    } catch (Throwable e){
      System.out.println("The length of statck is " + stackLength);
      throw e;
    }
  }

  private static void stackLeak() {
    stackLength++;
    stackLeak();
  }
}

控制臺輸出如下：

The length of statck is 41351
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at pers.leo.chapter_02.StackOOM.stackLeak(StackOOM.java:21)
    at pers.leo.chapter_02.StackOOM.stackLeak(StackOOM.java:21)
    at pers.leo.chapter_02.StackOOM.stackLeak(StackOOM.java:21)
    at pers.leo.chapter_02.StackOOM.stackLeak(StackOOM.java:21)
    at pers.leo.chapter_02.StackOOM.stackLeak(StackOOM.java:21)
    at pers.leo.chapter_02.StackOOM.stackLeak(StackOOM.java:21)
    at pers.leo.chapter_02.StackOOM.stackLeak(StackOOM.java:21)

小結(jié)：
StackOverflowerError主要是針對運行時的棧而言贷币，而OutOfMemoryError(內(nèi)存溢出)針對的是整個內(nèi)存區(qū)域。后者出現(xiàn)的原因主要是申請內(nèi)存時沒有更多的內(nèi)存空間導(dǎo)致的偶摔，而導(dǎo)致這樣的原因有很多促脉。
詳情可以參見： Java常見的幾種內(nèi)存溢出及解決方案