第一节、Java内存区域与内存区域溢出异常

运行时数据区域

程序计数器

程序计数器主要有两个作用：
字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。
程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

Java 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java 虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期和线程相同，描述的是 Java 方法执行的内存模型，每次方法调用的数据都是通过栈传递的。
Java 内存可以粗糙的区分为堆内存（Heap）和栈内存 (Stack)，其中栈就是现在说的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。
局部变量表主要存放了编译期可知的各种数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用。
Java 虚拟机栈会出现两种错误：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。
StackOverFlowError： 若 Java 虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出 StackOverFlowError 错误。
OutOfMemoryError： Java 虚拟机栈的内存大小可以动态扩展， 如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是： 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 （也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。
方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间，也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种错误。

堆

Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块，Java 堆是所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。
从 JDK 1.7 开始已经默认开启逃逸分析，如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用（也就是未逃逸出去），那么对象可以直接在栈上分配内存。
Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC 堆。从垃圾回收的角度，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点有：Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

大部分情况，对象都会首先在 Eden 区域分配，在一次新生代垃圾回收后，如果对象还存活，则会进入 s0 或者 s1，并且对象的年龄还会加 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1)，当它的年龄增加到一定程度（默认为 15 岁），就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。
堆这里最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误:
java.lang.OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded ： 当 JVM 花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时，就会发生此错误。
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space :假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发此错误。(和配置的最大堆内存有关，且受制于物理内存大小。最大堆内存可通过-Xmx参数配置，若没有特别配置，将会使用默认值.

方法区

方法区与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。方法区也被称为永久代。
方法区和永久代的关系很像 Java 中接口和类的关系，类实现了接口，而永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。

为什么要将永久代 (PermGen) 替换为元空间 (MetaSpace) 呢?

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，还有常量池表（用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用）
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

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致 OutOfMemoryError 错误出现。引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）的 I/O 方式，避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。
本机直接内存的分配不会受到 Java 堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

HotSpot 虚拟机对象探秘

对象的创建

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这个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、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、分配内存:分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种，选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而 Java 堆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。

内存分配并发问题:
虚拟机采用两种方式来保证线程安全：
CAS+失败重试： CAS 是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。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。
TLAB： 为每一个线程预先在 Eden 区分配一块儿内存，JVM 在给线程中的对象分配内存时，首先在 TLAB 分配，当对象大于 TLAB 中的剩余内存或 TLAB 的内存已用尽时，再采用上述的 CAS 进行内存分配。

3、初始化零值：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）。
4、设置对象头：初始化零值完成之后，虚拟机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、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。 这些信息存放在对象头中。
5、执行 init 方法：从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚开始，$<init>$ 方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以一般来说，执行 new 指令之后会接着执行 $<init>$方法，把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。

对象的内存布局

在 Hotspot 虚拟机中，对象在内存中的布局可以分为 3 块区域：对象头、实例数据和对齐填充。实例数据部分是对象真正存储的有效信息。对齐填充部分不是必然存在的，也没有什么特别的含义，仅仅起占位作用。

对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象，我们的 Java 程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定，目前主流的访问方式有① 使用句柄和② 直接指针两种：
这两种对象访问方式各有优势。使用句柄来访问的最大好处是 reference 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的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销。

String类和常量池

实战：OutOfMemoryError异常

Java堆溢出

要先分清楚到底是出现了内存泄漏（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）。
如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链，找到泄漏对象是通过怎 样的引用路径、与哪些GC Roots相关联，才导致垃圾收集器无法回收它们，根据泄漏对象的类型信息 以及它到GC Roots引用链的信息，一般可以比较准确地定位到这些对象创建的位置，进而找出产生内 存泄漏的代码的具体位置。

如果不是内存泄漏，换句话说就是内存中的对象确实都是必须存活的，那就应当检查Java虚拟机 的堆参数（-Xmx与-Xms）设置，与机器的内存对比，看看是否还有向上调整的空间。再从代码上检查 是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长、存储结构设计不合理等情况，尽量减少程序运 行期的内存消耗。

可以发现占用内存最大的是第一行线程创建的对象。Shallow Heap表示对象本身占用内存大小，不包含他的引用对象，Retained Heap表示对象本身以及直接或者间接引用的对象所占内存和的大小。

可以看出就是OOMObject对象的不断创建导致内存溢出了。

虚拟机栈和本地方法栈溢出

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常。
如果虚拟机的栈内存允许动态扩展，当扩展栈容量无法申请到足够的内存时，将抛出 OutOfMemoryError异常。

为了验证这点，我们可以做两个实验，先将实验范围限制在单线程中操作，尝试下面两种行为是 否能让HotSpot虚拟机产生OutOfMemoryError异常：
·使用-Xss参数减少栈内存容量。
结果：抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的堆栈深度相应缩小。
·定义了大量的本地变量，增大此方法帧中本地变量表的长度。
结果：抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的堆栈深度相应缩小

第一种情况的测试：

第二种情况的测试：

实验结果表明：无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当新的栈帧内存无法分配的时候， HotSpot虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。可是如果在允许动态扩展栈容量大小的虚拟机 上，相同代码则会导致不一样的情况。譬如远古时代的Classic虚拟机，这款虚拟机可以支持动态扩展 栈内存的容量，可见相同的代码在Classic虚拟机中成功产生了OutOfMemoryError而不是StackOver-flowError异 常。如果测试时不限于单线程，通过不断建立线程的方式，在HotSpot上也是可以产生内存溢出异常的，具体第一个例子可见。

出现StackOverflowError异常时，会有明确错误堆栈可供分析，相对而言比较容易定位到问题所 在。如果使用HotSpot虚拟机默认参数，栈深度在大多数情况下（因为每个方法压入栈的帧大小并不是 一样的，所以只能说大多数情况下）到达1000~2000是完全没有问题，对于正常的方法调用（包括不能 做尾递归优化的递归调用），这个深度应该完全够用了。

但是，如果是建立过多线程导致的内存溢 出，在不能减少线程数量或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取 更多的线程。这种通过“减少内存”的手段来解决内存溢出的方式，如果没有这方面处理经验，一般比 较难以想到，这一点读者需要在开发32位系统的多线程应用时注意。

方法区和运行时常量池溢出

从运行结果中可以看到，运行时常量池溢出时，在OutOfMemoryError异常后面跟随的提示信息 是“PermGen space”，说明运行时常量池的确是属于方法区（即JDK 6的HotSpot虚拟机中的永久代）的 一部分。



输出：
true
false
true

本机直接内存溢出

直接内存（Direct Memory）的容量大小可通过-XX：MaxDirectMemorySize参数来指定，如果不 去指定，则默认与Java堆最大值（由-Xmx指定）一致.
由直接内存导致的内存溢出，一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见有什么明显的异常 情况，如果读者发现内存溢出之后产生的Dump文件很小，而程序中又直接或间接使用了 DirectMemory（典型的间接使用就是NIO），那就可以考虑重点检查一下直接内存方面的原因了。