Java內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出異常

覺得書上有一句話很有意思

Java與C++之間有一堵有內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配和垃圾收集技術(shù)所圍成的高墻漾稀，墻外面的人想進(jìn)去抵代，墻里面的人卻想出來

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序的過程中會(huì)把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域腾节。這些區(qū)域都有各自的用途，以及創(chuàng)建和銷毀的時(shí)間荤牍，有的區(qū)域隨著虛擬機(jī)進(jìn)程的啟動(dòng)而存在案腺，有些區(qū)域則依賴用戶線程的啟動(dòng)和結(jié)束而建立和銷毀

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范，Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存將會(huì)包括以下幾個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

Java虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

下面將大致介紹Java內(nèi)存區(qū)域的分類和不同以及拋出內(nèi)存溢出異常的原因

內(nèi)存泄漏是造成內(nèi)存溢出的主要原因

程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間康吵，它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器劈榨，字節(jié)碼解釋器工作的時(shí)候就是通過改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令、分支晦嵌、循環(huán)同辣、跳轉(zhuǎn)、異常處理惭载、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要通過這個(gè)計(jì)數(shù)器來完成

Java虛擬機(jī)的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)的旱函，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻。一個(gè)處理器都只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令描滔，因此為了線程切換之后恢復(fù)到正確的位置棒妨，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間計(jì)數(shù)器互不影響含长，獨(dú)立存儲(chǔ)券腔，這類的內(nèi)存區(qū)域稱為"線程私有內(nèi)存"

• 如果線程正在執(zhí)行的是一種Java方法伏穆，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址
• 如果正在執(zhí)行的是Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器則為空

這個(gè)內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)沒有規(guī)定任何內(nèi)存溢出異常的區(qū)域

Java虛擬機(jī)棧

和程序計(jì)數(shù)器一樣颅眶，Java虛擬機(jī)棧也是線程私有的蜈出，它的生命周期和線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀(Stack Frame)用于存儲(chǔ)局部變量表涛酗、操作數(shù)棧铡原、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息商叹。每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程燕刻，就對應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)戰(zhàn)中入棧出棧的過程

這里需要注意，我們說到的這個(gè)Java虛擬機(jī)棧與Java方法棧是兩個(gè)概念剖笙，每當(dāng)一個(gè)方法執(zhí)行的時(shí)候卵洗，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，棧幀中包含了該方法的操作數(shù)棧和局部變量表弥咪，動(dòng)態(tài)鏈接和出口过蹂，這個(gè)方法的執(zhí)行和退出伴隨著這個(gè)棧幀在Java棧中的入棧和出棧操作

經(jīng)常有人把Java內(nèi)存分為堆內(nèi)存和棧內(nèi)存，這種分法比較粗糙聚至，其中的棧就是我們現(xiàn)在說到的虛擬機(jī)棧酷勺，或者說是虛擬機(jī)棧中的局部變量表部分，局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型對象引用(他不等同于對象本身扳躬，可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔槾嗨撸部赡苁侵赶蛞粋€(gè)代表對象的句柄或者其他與此對象相關(guān)的位置)和returnAddress類型(指向一條字節(jié)碼指令的地址)

局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期就完成分配了，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法的時(shí)候贷币，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的击胜，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小

什么是句柄？

Windows是一個(gè)以虛擬內(nèi)存為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)役纹，在這種環(huán)境下偶摔，Windows內(nèi)存管理器經(jīng)常在內(nèi)存中來回移動(dòng)對象，以此來滿足各種應(yīng)用程序的需要字管。對象被移動(dòng)意味著它的地址變化了啰挪。由于地址總是如此變化，所以Windows操作系統(tǒng)為各應(yīng)用程序騰出一些內(nèi)存地址嘲叔，用來專門登記各應(yīng)用對象在內(nèi)存中的地址變化，而這地址（存儲(chǔ)單元的位置）本身是不變的抽活。Windows內(nèi)存管理器在移動(dòng)對象在內(nèi)存中的位置后硫戈，把對象新的地址告知這個(gè)句柄地址來保存。這樣我們只需記住這個(gè)句柄地址就可以間接地知道對象具體在內(nèi)存中的哪個(gè)位置下硕。這個(gè)地址是在對象裝載（Load）時(shí)由系統(tǒng)分配給的，當(dāng)系統(tǒng)卸載時(shí)（Unload）又釋放給系統(tǒng)。

因此分唾，Windows程序中并不是用物理地址來標(biāo)識(shí)一個(gè)內(nèi)存塊沧踏，文件，任務(wù)洗搂，或動(dòng)態(tài)裝入模塊的，相反，WINDOWS API給這些項(xiàng)目分配確定的句柄铸题，并將句柄返回給應(yīng)用程序，然后通過句柄來進(jìn)行操作琢感。

Java虛擬機(jī)規(guī)范規(guī)定

• 如果線程請求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度丢间，將拋出棧溢出異常
• 如果虛擬機(jī)棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展驹针，如果擴(kuò)展時(shí)不能申請到足夠的內(nèi)存烘挫，就會(huì)拋出內(nèi)存溢出異常

本地方法棧

虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法(也就是字節(jié)碼)服務(wù)，本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)柬甥，Sun HotSpot直接把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一
本地方法棧同樣也會(huì)拋出內(nèi)存溢出異常

Java堆

Java堆是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中的最大的一部分饮六，Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建苛蒲，次內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實(shí)例卤橄，幾乎所有對象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存，在Java虛擬機(jī)規(guī)范中說道：所有對象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上進(jìn)行分配

其實(shí)上面的最后一句話不對撤防，在學(xué)習(xí)Java的過程中虽风，一般認(rèn)為new出來的對象都是被分配在堆上的，其實(shí)這個(gè)結(jié)論不完全正確寄月，因?yàn)槭?strong>大部分new出來的對象被分配在堆上辜膝，而不是全部。通過對Java對象分配的過程分析漾肮，可以知道有另外兩個(gè)地方也是可以存放對象的厂抖。這兩個(gè)地方分別是 棧 （涉及逃逸分析相關(guān)知識(shí)）和TLAB（Thread Local Allocation Buffer）。我們首先對這兩者進(jìn)行介紹克懊，而后對Java對象分配過程進(jìn)行介紹忱辅。

棧上分配

在JVM中，堆是線程共享的谭溉，因此堆上的對象對于各個(gè)線程都是共享和可見的墙懂，只要持有對象的引用，就可以訪問堆中存儲(chǔ)的對象數(shù)據(jù)扮念。虛擬機(jī)的垃圾收集系統(tǒng)可以回收堆中不再使用的對象损搬，但對于垃圾收集器來說，無論篩選可回收對象，還是回收和整理內(nèi)存都需要耗費(fèi)時(shí)間巧勤。

如果確定一個(gè)對象的作用域不會(huì)逃逸出方法之外嵌灰，那可以將這個(gè)對象分配在棧上，這樣颅悉，對象所占用的內(nèi)存空間就可以隨棧幀出棧而銷毀沽瞭。在一般應(yīng)用中，不會(huì)逃逸的局部對象所占的比例很大剩瓶，如果能使用棧上分配驹溃，那大量的對象就會(huì)隨著方法的結(jié)束而自動(dòng)銷毀了，無須通過垃圾收集器回收儒搭，可以減小垃圾收集器的負(fù)載吠架。

JVM允許將線程私有的對象打散分配在棧上，而不是分配在堆上搂鲫。分配在棧上的好處是可以在函數(shù)調(diào)用結(jié)束后自行銷毀傍药，而不需要垃圾回收器的介入，從而提高系統(tǒng)性能魂仍。

棧上分配的技術(shù)基礎(chǔ)：

• 逃逸分析：逃逸分析的目的是判斷對象的作用域是否有可能逃逸出函數(shù)體拐辽。
• 標(biāo)量替換：允許將對象打散分配在棧上，比如若一個(gè)對象擁有兩個(gè)字段擦酌，會(huì)將這兩個(gè)字段視作局部變量進(jìn)行分配俱诸。
  1.標(biāo)量和聚合量標(biāo)量即不可被進(jìn)一步分解的量，而JAVA的基本數(shù)據(jù)類型就是標(biāo)量（如：int赊舶，long等基本數(shù)據(jù)類型以及reference類型等）睁搭，標(biāo)量的對立就是可以被進(jìn)一步分解的量，而這種量稱之為聚合量笼平。而在JAVA中對象就是可以被進(jìn)一步分解的聚合量园骆。
  2.替換過程通過逃逸分析確定該對象不會(huì)被外部訪問，并且對象可以被進(jìn)一步分解時(shí)寓调，JVM不會(huì)創(chuàng)建該對象锌唾，而會(huì)將該對象成員變量分解若干個(gè)被這個(gè)方法使用的成員變量所代替。這些代替的成員變量在棧幀或寄存器上分配空間夺英。

什么是逃逸

"發(fā)布(Publish)"一個(gè)對象的意思是指晌涕，是對象能夠在當(dāng)前作用域之外的代碼中使用。例如痛悯，將一個(gè)指向該對象的引用保存在其他代碼可以訪問的地方余黎，或者在某一個(gè)非私有的方法中返回該引用，或者將引用傳遞到其他類的方法中

當(dāng)某個(gè)不應(yīng)該發(fā)布的對象被發(fā)布時(shí)载萌，這種情況就被稱為逸出(Escape)驯耻，也叫逃逸

JVM允許將線程私有的對象打散分配在棧上亲族，而不是分配在堆上炒考。分配在棧上的好處是可以在函數(shù)調(diào)用結(jié)束后自行銷毀可缚，而不需要垃圾回收器的介入，從而提高系統(tǒng)性能斋枢。

Java堆是垃圾收集器的主要區(qū)域帘靡，很多時(shí)候也被稱為GC堆，從內(nèi)存回收的角度來看GC基本都采用分代算法瓤帚，所以Java堆中還可以細(xì)分為新生代描姚、老生帶，細(xì)分一下還有Eden空間戈次，F(xiàn)rom Survivor空間轩勘， To Survivor空間

從內(nèi)存分配角度來看，線程共享的Java堆中可能劃分出多個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū)怯邪，不過無論如何劃分绊寻，都與存放內(nèi)容無關(guān)，無論哪個(gè)區(qū)域悬秉，存儲(chǔ)的都仍然是對象實(shí)例澄步，進(jìn)一步劃分的目的是為了更好地回收內(nèi)存，或者更快的分配內(nèi)存

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定和泌，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存中村缸，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣武氓，可以是固定大小的梯皿，也可是可擴(kuò)展的

如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法再進(jìn)行擴(kuò)展的時(shí)候县恕，會(huì)拋出內(nèi)存溢出的異常

方法區(qū)

JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖

相對而言，垃圾收集行為在這個(gè)區(qū)域是比較少出現(xiàn)的屹耐，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入了方法區(qū)就如同永久代的名字一樣"永久"存在了尸疆，這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，一般來說，這個(gè)區(qū)域的回收成績比較難以令人滿意寿弱，尤其是類型的卸載

方法區(qū)是什么犯眠？有哪些特點(diǎn)？

方法區(qū)是系統(tǒng)分配的一個(gè)內(nèi)存邏輯區(qū)域症革，是用來存儲(chǔ)類型信息的(類型信息可理解為類的描述信息)筐咧。方法區(qū)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

• 方法區(qū)是線程安全的。由于所有的線程都共享方法區(qū)噪矛，所以量蕊，方法區(qū)里的數(shù)據(jù)訪問必須被設(shè)計(jì)成線程安全的。例如艇挨，假如同時(shí)有兩個(gè)線程都企圖訪問方法區(qū)中的同一個(gè)類残炮，而這個(gè)類還沒有被裝入JVM，那么只允許一個(gè)線程去裝載它缩滨，而其它線程必須等待
• 方法區(qū)的大小不必是固定的势就，JVM可根據(jù)應(yīng)用需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整。同時(shí)楷怒，方法區(qū)也不一定是連續(xù)的蛋勺，方法區(qū)可以在一個(gè)堆(甚至是JVM自己的堆)中自由分配。
• 方法區(qū)也可被垃圾收集鸠删，當(dāng)某個(gè)類不在被使用(不可觸及)時(shí)抱完，JVM將卸載這個(gè)類，進(jìn)行垃圾收集

當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)刃泡，將拋出內(nèi)存溢出的異常

運(yùn)行時(shí)常量池

運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分巧娱，Class文件中除了有類的版本、字段烘贴、方法禁添、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池桨踪，用于存放編譯器生成的各種字面量和符號的引用老翘，這部分內(nèi)容將在類加載后進(jìn)入方法去的運(yùn)行時(shí)常量池中存放

每一個(gè)字節(jié)用于存儲(chǔ)哪種數(shù)據(jù)都必須符合規(guī)范上的要求才會(huì)被虛擬機(jī)認(rèn)可、裝載和執(zhí)行锻离，但對于運(yùn)行時(shí)常量池铺峭，Java虛擬機(jī)規(guī)范沒有做任何細(xì)節(jié)要求，不過一般來說汽纠，除了保存Class文件中描述的符號引用外卫键，還會(huì)把翻譯出來的直接引用也存儲(chǔ)在運(yùn)行時(shí)常量中

運(yùn)行時(shí)常量池相對與Class文件常量池的另外一個(gè)重要特征是具備動(dòng)態(tài)性，Java語言并不要求常量一定只有編譯期才能產(chǎn)生虱朵，也就是并非預(yù)置入Class文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時(shí)常量池莉炉，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中钓账，這種特性被開發(fā)人員利用的最多的就是String類的intern()方法

既然運(yùn)行時(shí)常量池是方法去的一部分，自然受到方法區(qū)內(nèi)存的限制絮宁，當(dāng)常量池?zé)o法再申請到內(nèi)存的時(shí)候就會(huì)拋出內(nèi)存溢出異常

直接內(nèi)存

直接內(nèi)存并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分梆暮，也不是Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域，但是這部分內(nèi)存被頻繁使用羞福，而且也可能導(dǎo)致內(nèi)存溢出異常的出現(xiàn)

在JDK1.4中加入了NIO引入了一種基于管道channel和緩沖區(qū)buffer的I/O方式惕蹄，它可以直接使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存(本地方發(fā)棧)，然后通過一個(gè)存儲(chǔ)在Java堆中的DriectByteBuffer對象作為這一塊乃村的引用進(jìn)行操作治专，這樣的話，在一些場景能顯著提高性能

雖然本機(jī)直接內(nèi)存不收J(rèn)ava堆大小的限制遭顶，但是既然是內(nèi)存张峰，就會(huì)受到本機(jī)總內(nèi)存大小以及處理器尋址空間的限制，有的時(shí)候根據(jù)實(shí)際內(nèi)存設(shè)置-Xmx等參數(shù)信息棒旗，經(jīng)常忽略直接內(nèi)存喘批，使得各個(gè)內(nèi)存區(qū)域總和大于物理內(nèi)存限制，拋出內(nèi)存溢出的異常(除了堆上和棧上分配的內(nèi)存铣揉，在本地方法椚纳睿可能存在堆上的引用直接內(nèi)存)

虛擬機(jī)對象探秘

HotSpot虛擬機(jī)在Java堆中對對象分配、布局和訪問的全過程

對象的創(chuàng)建(普通Java對象)

虛擬機(jī)遇到一條new指令的時(shí)候逛拱，首先回去檢查這個(gè)指令的參數(shù)是否能在常量池中定位到一個(gè)類的符號引用敌厘，并且檢查這個(gè)符號引用代表的類是否已經(jīng)被加載、解析和初始化過朽合，如果沒有的話那就必須先執(zhí)行相應(yīng)的類加載過程

在類加載檢查通過后俱两，接下來虛擬機(jī)將為新生對象分配內(nèi)存。對象所需內(nèi)存的大小在類加載完成后便可確定

可以想到為對象分配空間的任務(wù)等同于把一塊確定大小的內(nèi)存從Java堆中劃分出來

• 假設(shè)Java堆中內(nèi)存是絕對規(guī)整的
  所有用過的內(nèi)存放在一邊曹步，沒有使用過的內(nèi)存放在一邊宪彩，中間放置著一個(gè)指針作為分界點(diǎn)的指示器，那所分配內(nèi)存就是僅僅把那個(gè)指針向空閑空間那邊挪動(dòng)一段與對象大小相等的距離讲婚，這種分配方式被稱為指針碰撞(Bump the Pointer)
• 如果Java堆中的內(nèi)存并不是工整的
  已使用的內(nèi)存空間和未使用的內(nèi)存空間相互交錯(cuò)尿孔，那就沒有辦法簡單地使用指針碰撞這種分配內(nèi)存的方式，虛擬機(jī)就必須維護(hù)一個(gè)列表筹麸，記錄那些內(nèi)存是可用的活合，在分配的時(shí)候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對象實(shí)例，并更新列表上的記錄竹捉，這種分配方式叫做空閑列表(Free List)

選擇哪種分配方式取決Java堆是否規(guī)整芜辕，而Java堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有亞索整理功能決定，因此在使用Serial,ParNew等帶Compact過程的收集器時(shí)块差，通常采用指針碰撞侵续，而使用CMS這種基于Mark-Sweep算法的收集器時(shí)倔丈，通常采用的分配算法是空閑列表

分配空間的并發(fā)問題

實(shí)例化一個(gè)對象在JVM中是一個(gè)非常頻繁的操作，如果在多線程情況下只是移動(dòng)一個(gè)指針状蜗，在并發(fā)條件下也并不是線程安全的需五，可能出現(xiàn)正在給對象A分配內(nèi)存，指針還沒來得及修改轧坎，對象B又同事使用了原來的指針來分配內(nèi)存的情況宏邮，解決這個(gè)問題有兩種方案

• 對分配內(nèi)存空間的動(dòng)作進(jìn)行同步處理——實(shí)際上虛擬機(jī)采用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性
• 把內(nèi)存分配的動(dòng)作按照線程劃分在不同的空間中進(jìn)行，即每個(gè)線程在Java堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存缸血，成為本地線程分配緩沖(TLAB)蜜氨，哪個(gè)線程需要分配內(nèi)存就在哪個(gè)線程自己的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB的時(shí)候才需要同步鎖定

內(nèi)存分配完成后捎泻，虛擬機(jī)需要將分配到的內(nèi)存空間都初始化為零值(不包括對象頭)飒炎，如果使用TLAB，這一工作過程也可以提前至TLAB分配時(shí)進(jìn)行笆豁，這一步操作保證了對象實(shí)例字段在Java代碼中可以不賦初始值就可以直接使用郎汪，程序能夠訪問到這些字段的數(shù)據(jù)類型所對應(yīng)的零值

接下來，虛擬機(jī)要對對象進(jìn)行必要的設(shè)置闯狱，例如：這個(gè)對象是哪個(gè)類的實(shí)例煞赢、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息、對象的哈希碼哄孤、對象的GC分代年齡等信息照筑，這些信息存放在對象的對象頭之中，根據(jù)虛擬機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的不同录豺，如是否使用偏向鎖等朦肘，對象頭會(huì)有不同的設(shè)置方式

上面工作都完成之后，從虛擬機(jī)的角度來看双饥，一個(gè)新的對象就已經(jīng)產(chǎn)生了媒抠，但是從Java程序的視角來看，對象創(chuàng)建才剛剛開始——init方法還沒有執(zhí)行咏花，所有的字段都還為零趴生，所以，一般來說(由字節(jié)碼中是否跟隨invokespecial指令所決定)昏翰，執(zhí)行new指令之后會(huì)接著執(zhí)行init方法苍匆，把對象按照程序員的意愿進(jìn)行初始化，這樣之后才算是生產(chǎn)了一個(gè)完整的對象