JVM内存区域

本文聊聊Java的内存分区，其实在谈java内存区域划分时事实上指的就是JVM的内存区域划分。此外，这些分区是基于JVM规范的，不同的虚拟机都可以有各自略微不同的实现。

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先来看看java代码执行的基本流程：

java源代码被编译器编译为.class的字节码文件，然后由虚拟机接管，通过类加载器加载完后交给执行引擎执行。执行过程中，用到的一些数据放在一个叫运行时数据区的地方，这个地方就是JVM的内存，即本文讨论的地方。

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运行时数据区

包含几个部分：

1. PC程序计数器

   占用很小的内存，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

   每个线程都有独立的PC空间，因为Java虚拟机的多线程是通过轮流切换cpu来实现的，所以为了各个线程互不影响，每个线程都要有一个pc空间。这种每个线程都有的空间我们叫做“线程私有”内存。

   如果线程正在执行一个java方法，pc记录的就是正在正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果执行的是Native方法，这个pc则为空。

   此内存区域是唯一一个在虚拟机中没有规定任何OutOfMemoryError的区域。

2. 虚拟机栈

   这个区域也是线程私有的。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行时都会创建一个栈帧，栈帧放在虚拟机栈中。栈帧中存放局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用到被执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。在活动线程中，只有栈顶的栈帧才是可操作的，该帧称为当前栈帧，正在执行的方法称为当前方法，执行引擎的所有指令都只能针对当前栈帧进行操作。

   栈帧：
   

   1）局部变量表：

   存放方法参数，局部变量。存放的数据类型有8种基本数据类型，对象引用类型（用于指示对象位置，根据不同虚拟机，reference可能时指针也可能是句柄），以及returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。局部变量表的最小容量以变量槽为单位（即一个字长，32位虚拟机变量槽即为32位）。并且整个表相当于一个数组，通过索引访问。
   如果是非静态方法，则在表头存放的是方法所属对象的实例引用，一个引用变量占4字节。字节码中的STORE指令即是将操作栈中计算完成的局部变量写回局部变量表中。

   2）操作栈：

   也称为操作数栈，一开始是空的。java的执行引擎的操作主要就在操作栈执行。语句的执行归根到底就是计算的过程，而计算就在操作栈中进行。
   举个例子：执行iadd指令，java字节码和流程图如下：
   1.iload_0 //从局部变量表[0]读取数据压入操作栈
   2.iload_1 //从局部变量表[1]读取数据压入操作栈
   3.iadd //执行add操作，结果也压入操作栈
   4.istore_2 //操作栈栈顶元素存到局部变量表[2]位置

   

   3）动态连接：

   一个指向运行时常量池（JVM 运行时数据区域）中该栈帧所属性方法的引用，用于支持方法调用过程中的动态链接。

   4）方法出口：

   又叫方法返回地址。方法退出后需要返回到方法进入时的地址，正常退出的情况下，调用者的程序计数器的值就是返回地址，而异常退出时，返回地址是通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

   虚拟机栈的异常：

   1）StackOverflowError：线程请求的栈深度超过虚拟机允许的栈深度时抛出。一般是递归过深。

   2）OutOfMemoryError：如果虚拟机栈允许动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时抛出。一般是对象创建太快快于回收速度，或者程序设计不合理创建对象过多。

3. 本地方法栈

   作用和虚拟机栈类似，不过是为虚拟机使用到的本地Native方法服务。有的虚拟机将本地方法栈和虚拟机栈合并了，如Sun HotSpot。

4. 堆区

   一般来说，这块区域最大。堆区是所有线程共享的区域，在虚拟机启动时创建。该区唯一目的即是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。由于垃圾回收主要管理的就是堆区，堆区也被称为GC堆。

   堆区又分为新生代和老年代，这样分类有利于垃圾回收。堆区在物理上不必连续。

5. 方法区

   方法区用于存放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。

   jdk8之前方法区使用永久代实现，8.0开始使用元数据区（Metaspace）实现方法区，去掉了永久代概念。jdk8将常量池和静态变量放到堆中，我们应该这么理解：虽然物理上移动了，但逻辑上还是属于方法区。即可以说常量池在堆中也可以说在方法区。即根据不同的虚拟机，不同的版本，各种数据存放的位置是有变化调整的，不是完完全全按照jvm规范而来。

   元数据区并不像永久代在虚拟机中，而是使用本地内存。

   永久代迁移到元空间的优点：a)常量池迁移到堆中，避免溢出；b)永久代为GC带来了很多复杂性，使得回收效率低。

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• 几个概念：

  1. 运行时常量池

     常量池分两种形态：静态常量池和运行时常量池。

     静态常量池：即class文件中的常量池，包含字面量（如文本字符串、声明为final的常量等）和符号引用量（类和接口的全限定名、字段名称和描述符、方法名称和描述符）。

     运行时常量池：即类加载到虚拟机中后，class文件的常量池加载到内存，并保存在方法区。两种常量池只是通过它们的状态命名，内容都是一样的。

     运行时常量池相对于 静态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只有编译期才能产生，也就是并非预置入 Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，用得比较多的便是 String 类的 intern() 方法。

     常量池避免了一些常用对象的频繁创建，并提供了共享。

  2. 直接内存Direct Memory

     直接内存并不是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。

     在 JDK 1.4 中新加入了 NIO，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的 I/O 方式，它可以使用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，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存（包括 RAM 以及 SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置 -Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError 异常。

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补充：

1. 动态连接过程：

   动态连接是一个将符号引用解析为直接引用的过程。当java虚拟机执行字节码时，如果它遇到一个操作码，这个操作码第一次使用一个指向另一个类的符号引用

   那么虚拟机就必须解析这个符号引用。在解析时，虚拟机执行两个基本任务

   1.查找被引用的类，（如果必要的话就装载它）

   2.将符号引用替换为直接引用，这样当它以后再次遇到相同的引用时，它就可以立即使用这个直接引用，而不必花时间再次解析这个符号引用了。

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2. 方法区，元数据区，永久代

   方法区是JVM规范中的概念，元数据区和永久代是不同虚拟机对方法区的实现。

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模拟内存溢出异常

1. 堆溢出

   堆存放对象实例，所以只要一直新建实例，并且保证gc不会回收就会溢出。

   设置虚拟机参数：Xms20m -Xmx20m (-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError)

   参数解释：Xms设置初始堆大小，Xmx设置最大堆大小，内存不够不会再扩容，括号内表示可选参数，HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让出现内存溢出时Dump出当前内存堆转储存快照以便事后分析。

   测试代码：

   public class OOMObject {
       public static void main(String[] args) {
           List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
           while(true){
               list.add(new OOMObject());
           }
       }
   }
   

   运行结果：

   Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
   	at java.base/java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3511)
   	......
   	at java.base/java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:467)
   	at JVM.OOMObject.main(OOMObject.java:15)
   

   错误提示给出了是heap space的oom，以及一些简略信息。

2. 虚拟机栈溢出

   栈溢出就是递归过深，内存用尽。设置参数：-Xss128k（表示每个线程的堆栈大小128k）

   测试代码：

   public class JVMStackOF {
       private int stackLength = 1;
       public void stackLeak(){
           stackLength++;
           stackLeak();
       }
   
       public static void main(String[] args) throws Throwable{
           JVMStackOF sof = new JVMStackOF();
           try {
               sof.stackLeak();
           }catch (Throwable e){
               System.out.println("stack length:"+sof.stackLength);
               throw e;
           }
       }
   }
   

   运行结果：

   stack length:23604  //栈深度23604时溢出（若增加本地变量，使得本地变量表变大，则溢出时栈深度也减小）
   Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
   	at JVM.JVMStackOF.stackLeak(JVMStackOF.java:11)
   	at JVM.JVMStackOF.stackLeak(JVMStackOF.java:11)
   	......
   

   有的博客说虚拟机栈有两种溢出：StackOverflow栈溢出和OutOfMemory内存溢出。但实际上栈溢出和内存溢出其实本质上都是内存不够，因为栈并没有规定多大就溢出，而是内存不够了才溢出。上述代码就只能抛出栈溢出错误，而不抛出内存溢出，但本质上就是内存不够了。

   操作系统为每个进程分配的内存都是有限的，这些内存主要被堆+方法区+栈瓜分。有一种出现OOM的情形：多线程时，每个线程都要分配私有的栈容量，栈容量分配完后再有线程就会OOM。这种情况，如果仍然需要更多线程，可以减少堆容量和每个线程的栈容量来增加可建立线程数量。

3. 方法区溢出

   针对jdk8，这里讲的其实是元空间溢出。元空间存储类名，修饰符，描述符等信息，所以不断创建类，就会溢出。

   参数设置：-XX:MetaspaceSize=2m -XX:MaxMetaspaceSize=2m

   测试代码：

   /**
    * 使用CGLib产生大量类，模拟内存溢出
    */
   public class JavaMethodAreaCglibOom {
   
       public static void main(String[] args) {
           while (true) {
               Enhancer enhancer = new Enhancer();
               enhancer.setSuperclass(User.class);
               enhancer.setUseCache(false);
               enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                   @Override
                   public Object intercept(Object object, Method method, Object[] args, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                       return methodProxy.invokeSuper(object, args);
                   }
               });
               enhancer.create();
           }
       }
   
       static class User {
       }
   }
   

   运行结果：

   Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
   	at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:348)
   	......
   

4. 常量池溢出

   jdk8之前常量池在永久代，而8后移到了堆，网上搜了也没有常量池大小设置的参数，所以一般应该不存在常量池溢出，或是直接堆溢出。

5. 本机直接内存溢出

   直接内存通过参数：-XX:MaxDirectMemorySize指定，若不指定，默认和堆最大值一样。

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参考：《深入理解Java虚拟机》