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深入理解Java虚拟机系列（一）--Java内存区域和内存溢出异常

前言

我学习Java多年了，但对Java虚拟机（JVM）这一核心概念的理解还不够深入。虽然阅读了许多技术博客和面经，但始终觉得缺乏一个系统的复习和整理。因此，我决定阅读《深入理解Java虚拟机》这本书，并撰写这篇博客。

系列文章目录

一. 运行时数据区域

对于Java程序员来说，JVM会将内存划分为多个不同的区域。了解这些区域的结构和功能，有助于更好地理解Java内存管理的原理。

1.1 程序计数器

程序计数器是一块非常小的内存区域，并且是唯一不会发生内存溢出的区域。它可以看作是当前线程执行字节码的指针，用于跟踪程序的执行位置。程序计数器的作用包括字节码解释器的指令执行、线程切换后的恢复，以及实现多线程的功能。

1.2 Java虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的，与程序计数器一样，它描述了Java方法执行的内存模型。虚拟机栈包括局部变量表、操作数栈、动态链接和方法出口。局部变量表存储基本数据类型的变量，虚拟机栈用于跟踪每个方法的执行过程。

1.3 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈的功能类似，但服务于Native方法。例如，Object类中的notify方法就是通过本地方法执行的。

1.4 Java堆

Java堆是存储对象实例的主要区域，是JVM中最大的内存区域。Java堆是线程共享的，且可以通过垃圾收集进行内存管理。在JVM1.8中，方法区被整合到堆中，存储常量和静态变量。

1.5 方法区（永久代）

方法区用于存储类信息、常量和静态变量。由于JVM1.8将方法区整合到堆中，方法区的内存管理和垃圾收集与堆一致。

1.6 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，存储Class文件中的符号引用和直接引用。它具有动态性，可以在运行时添加新的常量。

1.7 元空间

元空间存储元数据，如类、字段、方法的描述信息。在JVM1.8中，元空间的内存管理与堆一致，支持组块分配。

二. HotSpot虚拟机对象探秘

了解对象的内存分配、布局和访问方式，是理解Java内存管理的关键。

2.1 对象的创建

通过new操作符创建对象时，JVM会执行类加载过程，并为对象分配内存。内存分配方式有指针碰撞和空闲列表两种，具体取决于垃圾收集器的类型。

2.2 对象的内存布局

对象在内存中的布局包括对象头、实例数据和对齐填充。对象头包含Mark Word存储运行时数据和类型指针，实例数据存储对象的实际数据。

2.3 对象的访问定位

对象访问可以通过句柄或直接指针实现。句柄访问存储句柄地址和元数据指针，直接指针访问直接引用对象地址，速度更快。

三. Java内存溢出异常

内存溢出是JVM运行过程中无法分配内存所导致的错误。以下是几种常见的内存溢出类型及其模拟方法。

3.1 Java堆溢出

通过不断创建对象，耗尽Java堆内存来模拟堆溢出。

3.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

通过递归方法或无限循环来耗尽虚拟机栈或本地方法栈内存。

3.3 方法区和运行时常量池溢出

在JVM1.7中，通过不断intern常量来模拟方法区溢出；在JVM1.8中，方法区内存与堆内存一致。

3.4 本机直接内存溢出

通过Unsafe类申请直接内存，模拟直接内存溢出。

四. 总结

本篇文章从JVM内存区域、对象创建、内存布局和访问方式入手，介绍了几种内存溢出异常的模拟方法。下一篇文章将从垃圾收集器和内存分配策略的角度展开讨论。