Java内存区域与内存溢出异常

发表于 | 分类于 ， |

1. 运行时数据区域

程序计数器（Program Counter Register）：当前线程所执行的字节码的行号指示器。
　　线程私有内存，较小的内存空间。
　　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。

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：描述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（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。通常所说的“栈”指的就是虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。
　　线程私有内存，声明周期与线程相同。
　　局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用类型。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，这个方法所需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法的运行期间不会改变局部变量表的大小。

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用非常相似。Sun HotSpot 虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一（因此虚拟机设置本地方法栈大小的参数，-Xoss，在Hot Spot虚拟机实现中是无效的）。

Java堆（Java Heap）：存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。但随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，因此所有对象都分配在堆上不是那么绝对。
Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，线程共享，在虚拟机启动时创建。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也称作“GC堆”(Garbage Collected Heap)

方法区（Menthod Area）：线程共享，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。
HotSpot虚拟机把GC分代收集拓展至方法区，使用永久代来实现方法区。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放在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进入方法区的运行时常量池中存放。

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，属于堆外内存。
NIO类，引入了一种基于通道与缓冲区的I/O方式，他可以使用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。这样能在一些场景中显著提高性能，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，但是还是会受到本地总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

2. 普通Java对象的创建过程

（不包括数组和Class对象等）

类加载检查 --> 内存分配 --> 初始化为零值 --> 设置对象头 --> 执行<init>方法

2.1 类加载检查

虚拟机遇到一条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，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

2.2 内存分配

在类加载检查通过之后，虚拟机将为新生对象分配内存。

2.2.1 内存分配的方式有两种

  1. “指针碰撞”：假设Java堆中内存是绝对规整的，用过的内存放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。
  2. “空闲列表”：假设Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候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。

选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而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。

2.2.2 内存分配的线程安全

内存分配时，修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的。解决方案有两种：

  1. 对分配内存空间的动作进行同步处理，实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
  2. 把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在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）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来设定。

2.3 初始化为零值

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用。

2.4 设置对象头

接下来，虚拟机要对对象进行必要的的设置，存放在对象的对象头（Object Header）中。

2.5 执行方法

完成以上工作后，从虚拟机的角度讲，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的视角来看，执行new指令之后会接着执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化。

3. 对象的内存布局

　　HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

  1. 对象头：包括两部分。
    • 对象本身的运行时数据（哈希码、GC分代年龄、锁状态标识、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等）
    • 类型指针，即对象指向它的类元数据的指针。
  2. 实例数据：对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。
  3. 对齐填充：并不是 必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。

4. 对象的访问定位

　　Java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式取决于虚拟机的实现。
主流的访问方式：句柄和直接指针

  1. 句柄访问：Java堆中会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，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。
    reference –> |到对象实例数据的指针｜到对象类型数据的指针 –> 对象类型数据
    　　　　　　　　　　　　　　　｜
    　　　　　　　　　　　　对象实例数据

  2. 直接指针访问：
    reference –> 对象实例数据【到对象类型数据的指针】 –> 对象类型数据

各自的优势：
句柄访问：reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象移动（垃圾收集）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。
直接指针：访问速度快，它节省了一次指针定位的时间开销。sun HotSpot 使用第二种方式进行对象的访问。

5. 内存溢出