02. Java 内存区域与内存溢出异常

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，以及创建合销毁时间，有些区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

根据Java虚拟机规范的规定， Java虚拟机所管理的内存被称为运行时数据区，包含以下几个部分：

程序计数器
虚拟机栈
本地方法栈
堆
方法区

运行时数据区

程序计数器

程序计数器是一块非常小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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

程序计数器是线程私有的，这是因为：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实现的，在任何确定的时刻，一个处理器只会执行一条线程中的指令。因此，为了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。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的字节码指令的地址；如果正在执行的是native方法，这个计数器的值为空。

程序计数器是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError异常情况的区域

虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的，与线程的生命周期相同，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临时变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，每个方法从调用开始直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型（byte、boolean、char、short、 int、float、long、double）、对象引用等。除了long类型和double类型占用两个局部变量空间（slot）外，其余类型都只占用一个局部变量空间。

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，这个方法需要在虚拟机栈中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法执行期间不会改变局部变量表的大小。

Java虚拟机规范对虚拟机栈定义了两种异常情况：当线程请求的栈深度大于虚拟机允许的栈深度时将发生StackOverFlowError；如果虚拟机栈允许动态扩展，但扩展时无法申请到足够的内存，就会发生OutOfMemoryError错误。

经常有人把Java内存分为“堆”内存和“栈”内存，这种分法比较粗略，这里的“栈”指的就是虚拟机栈，或者说是局部变量表

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈非常相似，二者之间的区别是：虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务；本地方法栈为虚拟机执行Native方法服务。

与虚拟机栈一样，Java虚拟机规范对于本地方法栈也定义了StackOverFlowError和 OutOfMemoryError错误。

堆

堆是Java虚拟机管理的内存中最大的一块。堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动的时候创建。Java堆存在的唯一目的是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在堆中完成内存分配。Java虚拟机规范对堆的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上完成内存分配。

根据Java虚拟机规范的规定，堆可以处于物理上不连续的内存空间之中，只要逻辑上是连续的即可。在实现时，既可以指定成固定大小的，也可以是可扩展的。

Java虚拟机规范对堆定义了一种异常情况：如果在堆中没有内存完成实例的分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常

方法区

方法区是被所有线程共享的一块内存区域，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。

Java虚拟机对于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空间和可以选择固定大小和可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在方法区是比较少见的，方法区的内存回收主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

Java虚拟机规范对于方法区定义了一种异常情况：当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

对于习惯使用HotSpot虚拟机的人来说，很多人都更愿意把方法区称为“永久代”，本质上二者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的开发团队将GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot垃圾收集器就可以像管理Java堆一样管理方法区，能够省去专门为方法区编写内存管理的代码。对于其他虚拟机，例如Jrockit， J9，并不存在永久代。使用永久代实现方法区并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题（永久代有-XX:MaxPermSize的上限。在JRockit和J9中，只要没有触碰到集成可用的内存上限就不会出现问题）。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分

Class文件除了包含类的版本、方法、字段、接口等信息外，还有一项信息是常量池。常量池用于存放编译器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。除了保存Class文件中的字面量和符号引用外，运行时常量池还会把翻译出来的直接引用也存储在其中。

运行时常量池相对于Class文件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在编译期间才能产生，也就是并非预置入Class文件常量池的内容才能进入运行时常量池中，运行期间也可以将新的常量放入运行时常量池中，这种特性被利用的最多的便是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，当运行时常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError错误。

直接内存

直接内存并不是Java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，但是这部分内存也会被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError错误。

在 NIO中，可以使用Native函数库直接在堆外分配内存，然后通过一个存储在堆中的 DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作，这样能够在一些场景下显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然，直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但既然是内存，肯定会受到本机总内存大小的限制，如果设置的堆内存过大，使得各个内存区域的总和大于物理内存的限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemory错误。直接内存可以通过-XX:MaxDirectMemorySize参数指定，如果不指定，则默认与Java堆最大值一样。

对象的创建过程

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当虚拟机遇到一条new指令时，首先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所代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那就必须先执行相应类的加载。

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在类加载检查通过之后，虚拟机将为新生对象分配内存对象所需的内存大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配内存等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。

根据所使用的垃圾收集器的不同，在Java堆中为对象分配内存有两种方式：

指针碰撞（适用于规整内存）
空闲列表（适用于不规整内存）

指针碰撞：假设Java堆中的内存是绝对规整的，所有使用的内存都放在一边，所有空闲的内存都放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器。为对象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，这种分配方式称为“指针碰撞”。

空闲列表：如果Java堆中的内存不是规整的，已使用的内存和空闲内存相互交错，那么虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存块是可用的。在分配内存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，这种分配方式称为“空闲列表”。

线程安全问题

由于在虚拟机中创建对象是非常频繁的，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也不是线程安全的。可能会出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种方案：一、对内存分配动作进行同步处理--虚拟机使用的是CAS加上失败重试的方式保证更新操作的原子性；二、把内存分配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堆中预先分配一块小内存，称为本地线程分配缓冲（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，可用通过-XX:UseTLAB参数来设定。

3

内存分配完成之后，虚拟机需要将对象分配到的内存空间初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作也可以提前至TLAB分配时进行。

这一步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可直接使用，程序能够访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

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虚拟机对对象进行必要的设置

例如，这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息，对象的哈希吗、对象的GC分代年龄等，这些信息存放在对象的对象头之中

从虚拟机的角度来说，经过上面4步，一个新的对象已经产生了。但从Java程序的角度来说，对象创建才刚刚开始（因为init方法还没执行，所有字段的值都为零值）。所以，一般来说，执行new指令之后接着执行init方法，把一个对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

对象在内存中的布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域

对象头
实例数据
对齐填充

对象头

对象头包含两部分信息，第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、线程持有的锁、锁状态标志等。第二部分用于存储类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

实例数据

实例数据部分是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。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要被记录。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源代码中定义顺序的影响。

对其填充

对其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。由于 HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，而对象头部分正好是8字节的整数倍，因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

Java程序需要通过栈中的引用类型数据来操作堆中的具体对象，由于引用类型数据在 Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象，所以对象的访问方式也是取决于虚拟机的实现而定的。

目前主流的访问方式有两种

使用句柄访问
使用直接指针访问

句柄访问

如果使用句柄访问，那么Java堆中就会划分出一块内存来作为句柄池，引用类型数据中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中存储的就是对象的实例数据和对象的类型数据的具体地址。

句柄访问

指针访问

如果使用直接指针访问，那么Java堆中的对象就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，引用类型数据存储的直接就是Java堆中对象的地址。

指针访问

总结

这两种对象的访问、定位方式各有优点，使用句柄来访问的最大好处就是引用类型数据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保存的对象实例数据地址，而引用类型数据不需要修改。使用直接指针访问的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的开销。由于在Java中对象的访问、定位非常频繁，积少成多后也是一项可观的成本。就HotSpot虚拟机来说，它使用的是直接指针访问的方式来定位、访问对象的。

Java堆溢出

Java堆用于存放对象实例，只要不断的产生对象，并且保证GC Root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，那么在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。

通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便进行事后分析。

Java堆内存OOM异常是实际应用中常见的内存溢出异常情况，当出现Java堆内存溢出异常时，异常堆栈信息“java.lang.OutOfMemoryError”会跟着进一步提示“Java heap space”。

要解决Java堆的OOM异常，一般的手段是先通过内存映像分析工具对Dump出来的堆转储快照文件进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必要的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏还是内存溢出。

如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Root的引用链，于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与GC Root相关联并导致垃圾回收器无法自动收集它们。掌握了泄露对象的类型信息及GC Root引用链信息，就可以比较准确的定位出泄露代码的位置。

如果不存在内存泄露，换句话说，就是内存中的对象确实都还必须活着，那就应当检查虚拟机的堆参数，与机器物理内存对比看是否还可以调大；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情况，以减少程序运行期间的内存消耗。

虚拟机栈和本地方法栈溢出

由于HotSpot虚拟机并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此，对于HotSpot虚拟机来说，
虽然-Xoss参数（设置本地方法栈大小）存在，但实际上是无效的，栈容量只由-Xss参数设
置。

对于虚拟机栈和本地方法栈，Java虚拟机规范描述了两种异常

如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的最大的栈深度，将抛出StackOverflowError异常
如果虚拟机栈在扩展时无法申请到足够的内存，将抛出OutOfMemoryError异常

上述两种异常本质上只是对同一件事情的两种描述而已：当栈空间无法继续分配时，到底是内存太小，还是已使用的栈空间太大。

在单线程环境下，无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverflowError。

在多线程环境下，通过不断建立线程的方式可以产生内存溢出异常，但是这种情况下产生的内存溢出异常与栈内存是否足够大并不存在任何联系。这是因为操作系统分配给每个进程的内存是有限制的（例如32位Windows限制为2GB）。

虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区的最大值，剩余的内存为2GB减去-Xmx，再减去-MaxPermSize，程序计数器消耗的内存很小，可以忽略掉，如果虚拟机进程本身消耗的内存忽略不计，则剩下的内存就由虚拟机堆和本地方法栈分配。每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数自然就越少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。在开发多线程的应用时，如果是建立了过多的线程导致的内存溢出，在不能减少线程数或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆、减少方法区、减少每个线程分配到的栈容量来换取更多的线程。如果没有这方面的处理经验，这种通过“减少内存”的手段来解决内存溢出的方式会比较难以想到。

方法区和运行时常量池溢出

运行时常量池溢出

String.intern()是一个Native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回池中代表这个字符串的String对象；否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并返回此String对象的引用。（基于JDK1.6）

public class RuntimeConstantPoolOOM{
    public static void main(String[] args){
        // 使用List保持着常量池的引用，避免Full GC回收常量池的行为
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        int i = 0;
        while(true){
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

运行时常量池溢出，在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是“PermGen space”，这也说明了，在HotSpot虚拟机中，运行时常量池属于方法区（永久代）。

上述代码需要基于JDK1.6运行，如果基于之后的版本，将不会出现预期的结果，将会出现while循环将一直进行下去。在JDK1.6中，intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中，返回的也是永久代中这个字符串实例的引用。在JDK1.7中，intern()方法不会再复制实例，只是在常量池中记录首次出现的实例的引用。所以下面的代码在JDK1.6中会得到两个false，而在JDK1,7中会得到一个true和一个false。

public class RuntimeConstantPoolOOM{
    public static void main(String[] args){
        String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);
        String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }
}

方法区溢出

方法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修饰符、运行时常量池、字段描述、方法描述等。在运行时产生大量的类去填满方法区，就可以使得方法区溢出。

方法区溢出是一种常见的内存溢出异常。当前的很多主流框架，如Spring，Hibernate，在对类进行增强时，都会使用到CGLib这类字节码技术，增加的类越多，就需要越大的方法区来保证动态生成的Class可以加载入内存；JVM上的动态语言（如Groovy等）通常都会持续创建类来实现语言的动态性，随着这类语言的流行，也越来越容易遇到方法区溢出的情况；大量JSP或动态产生JSP文件的应用（JSP第一次运行时需要编译为Java类）；基于OSGI的应用（即使是同一个类文件，被不同的加载器加载也会视为不同的类）。对于上面提到的场景要特别注意方法区的溢出

本机直接内存溢出

由直接内存导致的内存溢出，一个明显的特征是堆转储快照文件中不会看见明显的异常。如果OOM之后Dump文件很小，在Exception in thread “main”java.lang.OutOfMemoryError之后没有出现异常区域，而程序中又直接或间接使用NIO，则可以考虑是否出现了直接内存溢出的问题。