內存區域
Java虛擬機在執行Java程序的過程中會把他所管理的內存劃分為若干個不同的數據區域。Java虛擬機規范將JVM所管理的內存分為以下幾個運行時數據區：程序計數器、Java虛擬機棧、本地方法棧、Java堆、方法區。下面詳細闡述各數據區所存儲的數據類型。
程序計數器（Program Counter Register）
一塊較小的內存空間，它是當前線程所執行的字節碼的行號指示器，字節碼解釋器
工作時通過改變該計數器的值來選擇下一條需要執行的字節碼指令，分支、跳轉、循環等基礎功能都要依賴它來實現。每條線程都有一個獨立的的程序計數器，各線程間的計數器互不影響，因此該區域是線程私有的。
當線程在執行一個Java方法時，該計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址，當線程在執行的是Native方法（調用本地
操作系統方法）時，該計數器的值為空。另外，該內存區域是唯一一個在Java虛擬機規范中么有規定任何OOM（內存溢出：OutOfMemoryError）情況的區域。
Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）
該區域也是線程私有的，它的生命周期也與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型：每個方法被執行的時候都會同時創建一個棧幀，棧它是用于支持續虛擬機進行方法調用和方法執行的數據結構。對于執行引擎來講，活動線程中，只有棧頂的棧幀是有效的，稱為當前棧幀，這個棧幀所關聯的方法稱為當前方法，執行引擎所運行的所有字節碼指令都只針對當前棧幀進行操作。棧幀用于存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法返回地址和一些額外的附加信息。在編譯程序代碼時，棧幀中需要多大的局部變量表、多深的操作數棧都已經完全確定了，并且寫入了方法表的Code屬性之中。因此，一個棧幀需要分配多少內存，不會受到程序運行期變量數據的影響，而僅僅取決于具體的虛擬機實現。
在Java虛擬機規范中，對這個區域規定了兩種異常情況：
1、如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常。
2、如果虛擬機在動態擴展棧時無法申請到足夠的內存空間，則拋出OutOfMemoryError異常。
這里有一點要重點說明，在多線程情況下，給每個線程的棧分配的內存越大，越容易產生內存溢出異常。操作系統為每個進程分配的內存是有限制的，虛擬機提供了參數來控制Java堆和方法區這兩部分內存的最大值，忽略掉程序計數器消耗的內存（很小），以及進程本身消耗的內存，剩下的內存便給了虛擬機棧和本地方法棧，每個線程分配到的棧容量越大，可以建立的線程數量自然就越少。因此，如果是建立過多的線程導致的內存溢出，在不能減少線程數的情況下，就只能通過減少最大堆和每個線程的棧容量來換取更多的線程。當由于創建過量線程發生OOM時，會報錯：java.lang.OutOfMemoryError, unable to create new native thread。
本地方法棧（Native Method Stacks）
該區域與虛擬機棧所發揮的作用非常相似，只是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法服務，而本地方法棧則為使用到的本地操作系統（Native）方法服務。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError與OutOfMemoryError異常。
Java堆（Java Heap）
Java Heap是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊，它是所有線程共享的一塊內存區域，幾乎所有的對象實例和數組都在這類分配內存。Java Heap是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱為“GC堆”。
根據Java虛擬機規范的規定，Java堆可以處在物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可。如果在堆中沒有內存可分配時，并且堆也無法擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。
注意：隨著JIT編譯器的發展與逃逸技術逐漸成熟，所有對象都分配在堆上也逐漸變得不是那么絕對了，線程共享的Java堆中也可能劃分出線程私有的分配緩沖區（TLAB）。
方法區（Method Area）
方法區也是各個線程共享的內存區域，它用于存儲已經被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。Java虛擬機規范把方法區描述為Java堆的一個邏輯部分，而且它和Java Heap一樣不需要連續的內存，可以選擇固定大小或可擴展，另外，虛擬機規范允許該區域可以選擇不實現垃圾回收。相對而言，垃圾收集行為在這個區域比較少出現。不過，這部分區域的回收是有必要的，如果這部分區域永遠不回收，那么類型就無法卸載，我們就無法加載更多的類，HotSpot的該區域有實現垃圾回收。
根據Java虛擬機規范的規定，當方法區無法滿足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。
直接內存（Direct Memory）
直接內存并不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java虛擬機規范中定義的內存區域，它直接從操作系統中分配，因此不受Java堆大小的限制，但是會受到本機總內存的大小及處理器尋址空間的限制，因此它也可能導致OutOfMemoryError異常出現。在JDK1.4中新引入了NIO機制，它是一種基于通道與緩沖區的新I/O方式，可以直接從操作系統中分配直接內存，即在堆外分配內存，這樣能在一些場景中提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回復制數據。
當使用超過虛擬機允許的直接內存時，虛擬機會拋出OutOfMemoryError異常，由DirectMemory導致的內存溢出，一個明顯的特征是在Heap Dump文件中不會看見明顯的異常。一般來說，如果發現OOM后Dump文件很小，那就應該考慮一下，是不是這塊內存發生了溢出。
內存溢出
Java堆內存溢出
public class HeapOOM { static class OOMObject { } public static void main(String[] args) { List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>(); while (true) { list.add(new OOMObject()); } } } |
運行以上代碼時，可以增加運行參數-Xms20m -Xmx20m，該參數限制Java堆大小為20M，不可擴展。運行結果如下：
<span style="color: #ff0000;">Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space</span> at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2245) at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2219) at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:242) at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:216) at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:208) at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:440) at HeapOOM.main(HeapOOM.java:17) |
可以看到，在堆內存溢出時，除了會報錯java.lang.OutOfMemoryError外，還會跟著進一步提示Java heap space。
虛擬機棧和本地方法棧溢出
要讓虛擬機棧內存溢出，我們可以使用遞歸調用：因為每次方法調用都需要向棧中壓入調用信息，當棧的大小固定時，過深的遞歸將向棧中壓入過量信息，導致
StackOverflowError： public class JavaVMStackSOF { private int stackLength = 1; public void stackLeak() { stackLength++; stackLeak(); } public static void main(String[] args) throws Throwable { JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF(); try { oom.stackLeak(); } catch (Throwable e) { System.out.println("stack length:" + oom.stackLength); throw e; } } } |
運行以上代碼，輸出如下：
stack length:10828
<span style="color: #ff0000;">Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError</span>
at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:11)
at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:11)
可以看到，在我的電腦上運行以上代碼，最多支持的棧深度是10828層，當發生棧溢出時，會報錯java.lang.StackOverflowError。
方法區溢出
方法區用于存放Class的相關信息，如類名、訪問修飾符、字段描述等，對于這個區域的測試，基本思路是運行時使用CGLib產生大量的類去填充方法區，直到溢出：
public class JavaMethodAreaOOM { static class OOMObject { } public static void main(String[] args) { while( true) { Enhancer enhancer = new Enhancer(); enhancer.setSuperclass(OOMObject. class); enhancer.setUseCache( false); enhancer.setCallback( new MethodInterceptor() { @Override public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable { return proxy.invokeSuper(obj, args); } }); enhancer.create(); } } } |
運行時增加虛擬機參數：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M，限制永久代大小為10M，最后報錯為java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space。報錯信息明確說明，溢出區域為永久代。
總結
本文主要說明Java虛擬機一共分為哪幾塊內存區域，以及這幾塊內存區域是否會內存溢出，如果這些區域發生內存溢出報錯如何。了解這些知識后，以后遇到內存溢出報錯，我們就可以定位到具體內存區域，然后具體問題，具體分析。
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