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第二章、Java内存区域与内存溢出异常

一、概述

在Java中，由虚拟机管理内存，也是因为Java程序员把内存的控制权交给了虚拟机，一旦出现内存泄露和溢出方面的问题，如何不了解虚拟机内存是怎么使用的，那么错误排查将是一件很困难的工作。

二、运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序创建的过程中，会把它所管理的内存划分为若干不同的数据区域。

1、程序计数器

程序计数器可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解释器工作是就是通过改变这个计数器值来执行下一条需要执行的字节码指令。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。程序的分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空。此区域是唯一 一个虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2、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，它的生命周期与线程相同，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，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，每一个方法从调用直到完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中的入栈到出栈的过程。

• 局部变量表：存放了编译期可知的各种基本数据类型(8种boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。

Java虚拟机栈的局部变量表的空间单位是槽（Slot），其中64位长度的double和long类型会占用两个Slot。局部变量表所需内存空间在编译期完成分配，当进入一个方法时，该方法需要在帧中分配多大的局部变量是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

栈的两种异常：

• 栈深度大于虚拟机允许的深度，抛出StackOverflowError异常
• 现在的虚拟机栈大部分都可以动态扩展，如果在扩展的时候没有申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError。

3、本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈的区别在于，虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。有的虚拟机直接把虚拟机栈和本地方法栈合二为一如Sun HotSpot虚拟机，与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4、Java堆

Java堆是Java虚拟机所管理的内存中的最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,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要在堆上分配内存，堆也是垃圾收集器管理的主要的区域。

堆是垃圾收集器内存管理的主要区域，因此很多时候也被称为"GC堆"，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以堆中还可以细分为：新生代和老年代，再细致一点就是Eden空间、From Survivor空间和To Survivor空间。进一步划分的目的就是为了更好的回收内存，或者更快的回收内存。

5、方法区

方法区与堆一样，是各个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、即时编译后的代码等数据。

6、运行时常量池

运行时常量池时方法区的一部分。class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

7、直接内存

直接内存（Direct Memory）：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。但是这部分内存也频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常。将其放到这里一起进行讲解。

在JDK1.4中新加入了NIO(New Input/Output)类，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。

本地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大小以及处理器寻址空间的限制。如果各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

三、HotSpot虚拟机对象探秘

如果我们想了解虚拟机是如何创建、如何布局以及如何访问的，对于这些细节的问题，就必须把讨论范围限定到具体的虚拟机和集中在某一内存区域上才有意义。基于实用优先原则，下面用HotSpot虚拟机和Java堆内存作为例。

1、对象的创建

在Java中常用new创建一个对象：

• 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一个类的符号引用，并检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、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；

• 在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存的大小在类加载完成后便可完全确定；

• 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）；

• 接下来，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的对象头中。

在上面的工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象就已经产生了，但是从Java程序来看，对象的创建才刚刚开始，方法还没有执行，所有的字段都还为零。

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