Java内存区域与内存溢出异常

运行时数据区域

JVM执行java程序的时候有一个运行时数据区，每个区域有自己的作用，了解这些区域有助于我们理解JVM。JVM运行时数据区如图所示：

程序计数器

该区域是线程私有的，字节码解释器通过改变程序计数器来获取下一条指令来执行程序，每一个线程都有一个独立的程序计数器。在执行java方法的时候，计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址，执行本地Native方法的时候，计数器的值为空，程序计数器是没有OutOfMemoryError的现象的。

Java虚拟机栈

虚拟机栈也是线程私有的，是Java方法执行的内存模型，方法执行的时候会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法的执行就是一个栈帧在虚拟机栈中入栈出栈的过程。

虚拟机栈有两种异常情况：

• 线程请求的栈深度大于JVM允许的深度，会抛出StackOverflowError异常
• 如果虚拟机可以动态扩展，那么扩展到无法申请足够的内存时，会抛出OutOfMemoryError异常

本地方法栈

和虚拟机栈差不多，一样有虚拟机栈的两种异常情况

Java堆

所有线程共享，内存管理中最大的一块，用于存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配，垃圾收集器管理的重点区域，当Java堆无法再扩展时，将抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

所有线程共享，存储已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，一样可能抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存

不是运行时数据区的一部分，可以直接使用Native库分配堆外内存，一样可能抛出OutOfMemoryError异常。

HotSpot虚拟机对象

对象的创建

平常我们创建对象一般使用New这个关键字，实际上是一个很复杂的过程

1. New指令发出来后，虚拟机会去检查这个指令参数能否在常量池找到一个类的符号引用
2. 检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析、初始化、没有就执行相应的类加载过程
3. 虚拟机为新生对象分配内存
4. 对分配的内存空间初始化为零值
5. 执行init方法，按照程序员的意愿进行初始化

分配内存的方式：

指针碰撞:内存规整，只需从空闲内存中分配一块

空闲列表：内存不是规整的，从空闲列表中找到足够大内存空间进行分配

PS：内存是后规整和垃圾收集器的方式有关

对象的内存布局

对象内存布局可以分为3块区域：对象头、实例数据、对齐填充

对象头分为两部分，一部分用于存储对象自身的运行时数据：

储存内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	重量级锁定
空、不需要记录信息	11	GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向

另外一部分是类型指针，虚拟机通过这个指针确定这个对象是哪个类的实例。

对象的访问定位

Java程序通过栈上的引用来操作堆上的具体对象。

目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针：

• 句柄访问的方式，java堆会划分出一块内存来作为句柄池，栈上的引用储存的就是对象的句柄地址。句柄地址中包括了对象的实例数据与类型数据的具体地址信息
• 直接指针访问，栈上的引用储存的就是对象的地址

句柄的优点：对象被移动，只会修改句柄中的实例数据的指针，引用不需要修改

直接访问的优点：速度更快，减少时间开销

测试内存异常

Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例，不断创建对象，就可以测试到现象

 /**
   * VM Args: -Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
   * @author Axe
  **/
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class HeapOOM {
  
    static class OOMObject {

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

运行结果：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid5488.hprof ...
Heap dump file created [13371418 bytes in 0.049 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
	at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:265)
	at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:239)
	at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:231)
	at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:462)
	at HeapOOM.main(HeapOOM.java:17

堆内存的OOM异常是最常见的，出现的时候我们可以使用Memory Analyzer工具分析hprof文件，具体的使用方式，网上很多教程、如果都是正常的，就要考虑是不是堆的空间给得不够大。

虚拟机栈和本地方法栈溢出

直接测试：

/**
 * VM Args: -Xss128k
 */
public class JavaVMStacksOF {
    private int stackLength = 1;

    public void stackLeak(){
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStacksOF of = new JavaVMStacksOF();
        try {
            of.stackLeak();
        }catch (Throwable e){
            System.out.println("stack length:"+ of.stackLength);
            throw e;
        }

    }
}

运行结果:

stack length:981
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at JavaVMStacksOF.stackLeak(JavaVMStacksOF.java:8)
	at JavaVMStacksOF.stackLeak(JavaVMStacksOF.java:9)
	at JavaVMStacksOF.stackLeak(JavaVMStacksOF.java:9)
	at JavaVMStacksOF.stackLeak(JavaVMStacksOF.java:9)
	at JavaVMStacksOF.stackLeak(JavaVMStacksOF.java:9)
	at JavaVMStacksOF.stackLeak(JavaVMStacksOF.java:9)
	at JavaVMStacksOF.stackLeak(JavaVMStacksOF.java:9)

出现StackOverflowError可以阅读堆栈信息查找问题

方法区和运行时常量池溢出

import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

import java.lang.reflect.Method;

/**
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
    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 o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                    return methodProxy.invokeSuper(o,objects);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }

    static class OOMObject{

    }

}

很遗憾，我在java1.8里面没有复制到现象

本地直接内存溢出

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

/**
 * VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 */
public class DirectMemoryOOM {
    public static final int _1MB = 1024 * 1024;

    public static void main(String[] args) {
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeField.setAccessible(true);
        try {
            Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
            while (true) {
                unsafe.allocateMemory(_1MB);
            }
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果:

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
	at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
	at DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:17)

直接内存溢出后Dump文件会很小，如果程序中使用了NIO，就需要往这方面思考。