Java内存区域与内存溢出异常

Java内存区域与内存溢出异常 运行时数据区域

  JVM所管理的内存包括以下几个运行时数据区域。

程序计数器

  程序计数器是一块较小的内存，可以认为是当前线程执行的字节码的行号指示器，在概念模型中，字节码解释器工作时就是通过改变程序计数器的值来选取下一条要执行的字节码指令。
  在多线程的情况下，每个线程都有不同的要执行的字节码，所以程序计数器是一块线程私有的内存区域。

虚拟机栈

  虚拟机栈描述的是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局部变量表、 *** 作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一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。它也是一块线程私有的区域，生命周期和线程相同。
  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类型的数据会占据2个局部变量空间，其余数据类型只占据一个。
  异常： 虚拟机栈会抛出两种异常状况

• StackOverflowError：虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，当请求的栈深度超过当前虚拟机栈最大深度的时候会抛出
• OutOfMemoryError:虚拟机栈的内存大小允许动态扩展，并且线程在请求栈时内存使用完了，无法扩展时抛出异常。

本地方法栈

  本地方法栈与虚拟机栈发挥的作用类似，虚拟机栈为java方法服务，本地方法栈为Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

堆

  堆是虚拟机中占据内存最大的一块，被所有的线程共享。堆内存的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在堆上分配。

  根据虚拟机的规定，java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只需要在逻辑上是连续的即可。在大小上可以实现为固定的也可以实现为可拓展的。当没有内存完成实例分配同时也无法再扩展时就会抛出OutOfMemoryError。

方法区

  方法区是线程共享的内存区域，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。在JDK1.6的时候，方法区也被称为永久代，本质上两者并不等价，只是因为垃圾收集器可以像管理堆一样管理这部分内存。方法区也会抛出OutOfMemoryError。
  在JDK1.7的时候，将原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移动到了堆中，到了JDK1.8，完全废弃了永久代的概念，采用了在本地内存中实现的元空间来代替，把JDK1.7中永久代还剩余的内容全部移动到了元空间中。

运行时常量池

  运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表，用于存放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存放到方法区的运行时常量池中。同时还会把符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

虚拟机对象 对象的创建

  虚拟机在收到一条new指令时，首先回去检查这个指令的参数能否在常量池中定位到一个类的符号引用，并检查这个类是否被加载过，如果没有的话首先要进行类的加载，在类加载检查通过后，接下来虚拟机为新生对象分配内存（大小在类加载后便能够确定）。内存分配完成后，虚拟机必须将分配到的内存空间都初始化为零值（保证了对象的实例字段在java代码中可以不赋初值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值），最后虚拟机还需要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，这些信息存放在类的对象头之中。至此从虚拟机的角度来看一个新的对象已经产生了。
分配方式： (由垃圾回收器决定)
  指针碰撞： 假设内存是规整的，也就是用过的内存在一边，空闲的在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，内存分配就是把指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。
  空闲列表： 如果Java堆中内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那就没有办法使用简单的指针碰撞，虚拟机必须维护一个表，记录哪块内存是可用的，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，并更新表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”。
空间分配：
  对象的创建在虚拟机中是非常频繁的行为，在并发的情况下并不是线程安全的。解决线程不安全有两种方案。
  CAS（同步处理）： 虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新 *** 作的原子性；
  TLAB（本地线程分配缓冲）： 把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，线程要分配内存的话先在本地缓冲区进行分配，只有本地缓冲区完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。

对象的内存布局

  在HotSpot虚拟机中，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）
  对象头： 对象头部分包括两类信息，第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分带年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等；对象头的另一部分信息是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例（注：并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针）。
  实例数据： 这部分保存的是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，无论是继承于父类的还是在自身定义的字段都必须记录起来。默认的分类策略可以看到相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。
  对齐填充： 由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，所以如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

  Java程序会通过栈上的reference数据来 *** 作堆上的具体对象，对象访问的方式由虚拟机实现，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种。
  句柄访问： Java堆中划分出来一块内存作为句柄池，reference存储的就是对象的句柄地址，句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息。使用句柄访问的好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。

  直接指针： Java堆中对象的内存布局必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身，就不需要多一次间接访问的开销。它的好处就是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。