本文主要是介绍深入理解JVM之Java内存区域与内存溢出异常，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
读了《深入理解Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践》的第二章，明白了在虚拟机中内存是如何划分的，哪部分区域、什么样的代码和操作可能导致内存溢出异常。虽然Java有垃圾收集机制，但是内存溢出异常离我们并不遥远，第二章详细讲解了各个区域出现内存溢出异常的原因。
一：概述
对于C、C++程序开发人员来说，在内存管理领域程序员既拥有每一个对象的“所有权”，又担负着每一个对象生命开始到终结的维护责任。但是对于Java程序开发人员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作区写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存虽然看起来很美好，但是由于Java程序员把内存控制的权力交给了JVM，一旦出现了内存泄漏和溢出方面的问题，如果程序员不清楚JVM是怎样使用内存，那么排查错误将会成为一项艰难的工作。
二：运行时数据区域
JVM虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。
程序计数器(Program Counter Register)：
占据一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，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执行，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。
由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条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。
如果线程正在执行的是一个Java方法，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。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemeoryError情况的区域。
Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)：
JVM栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。JVM栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）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至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。（经常有人把Java内存区分为堆内存和栈内存，这种划分比较粗糙，但是也说明了大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块，其中所说的栈就是JVM栈，或者说是虚拟机中的局部变量表）。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、引用对象（reference类型）和return Address类型（指向了一条字节码执行的地址）。引用对象不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可以是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
JVM规范中对JVM栈规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机可以动态扩展（当前的大部分JVM都可以动态扩展，只不过JVM规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。
本地方法栈(Native Method Stack)：
与JVM栈发挥的作用很相似，区别为JVM栈为虚拟机执行Java方法（即字节码）服务，而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
Java堆（Java Heap）：
Java堆是JVM所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。在JVM规范中描述为：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是对这JIT编译期的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也逐渐变得不是那么“绝对”了。JIT：Just-In-Time：是一种提高程序运行效率的方法，有两种运行方式，静态编译：程序在执行前全部被翻译为机器码；解释执行：一句一句边运行边翻译。
Java Heap是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为GC堆（Garbage Collected Heap）。以内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法。故Java Heap还可以细分为：新生代和老年代；再细一点：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。以内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer， TLAB）。
根据JVM规范规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
方法区(Method Area)：
与Java Heap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、即时编译期编译后的代码等数据。虽然JVM规范把Method Area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。
注意：对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发人员来说，很多人更愿意把方法区称为“永久代”，本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写的内存管理代码的工作。对于其他虚拟机来说是不存在永久代的概念的。
JVM规范对方法区的限制很宽松，除了和Java堆一样，不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域比较少出现，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。一般来说，这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。
根据JVM规范，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(Runtime Constant Pool)：
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，还有一项信息是常量池：用于存放编译期生成的各种字面常量和符号引用，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。
JVM对Class文件每一部分的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。
运行时常量池相对于Class文件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在编译期才能产生，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，这种特性被开发人员利用的比较多的便是String类的intern()方法。
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然也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异常。
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。但是这一部分也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。故放在这里。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。Native函数，即原生函数，在Java程序中可以使用由其他编程语言实现的函数。这种函数在Java中被称为原生函数。
三：HotSpot虚拟机对象探秘
对象的创建：
Java是一门面向对象的编程语言，在Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。 在语言层面上，创建对象（例如克隆、反序列化）通常仅仅是一个new关键字。
Java对象的创建过程：虚拟机遇到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，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、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。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。
如何分配内存：假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”；如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为空闲列表。
因此选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定的，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的。因此，在使用Serial、ParNew等带有Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法时指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用空闲列表。
此外在划分内存还需要考虑的另外一个因素就是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存情况。解决这个问题有两种方案：一种是对分配内存空间的动作进行同步处理-----实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。
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），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。（这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对象的零值）。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之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同，如是否启动偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。
在上面的工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的视角来看，对象创建才刚刚开始------<init>方法还没有执行，多有的字段都还为零。所以，一般来说（有字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），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。
对象内存的布局
在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时的数据（哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等），这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称为“Mark Word”；对象头的另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪类实例（查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身）。接下来的实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/double、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略上看，相同宽度的字段总是被分配到一起。第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。
对象的访问定位
建立对象是为了使用对象，Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象的访问方式也是取决于虚拟机实现的。目前主流的访问方式有两种为：使用句柄和直接指针
句柄访问对象：如上图所示Java堆中会划分出来一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。
直接指针访问对象：如上图所示Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址。
这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）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的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。（HotSpot虚拟机它是使用直接指针访问方式进行对象访问的，但是从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见）。
四：实战OutOfMemoryError异常
在JVM规范的描述中，除了程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError（即OOM）异常的可能。实战的目的有两个：第一，通过代码验证Java虚拟机规范中描述的各个运行时区域存储的内容；第二，希望在工作实战中遇到实际的内存溢出异常时，能根据异常的信息快速判断是哪个区域的内存溢出，知道什么样的代码可能造成OOM异常以及如何处理。
Java堆溢出
Java堆用于存储对象实例，只要不断地创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么在对象数量达到最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;/*** VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError* -Xms:设定最小内存;-Xmx:设定最大内存* @author Peter**/
public class HeapOOM {static class OOMObject{}public static void main(String[] args){List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();int i = 0;while(true){list.add(new OOMObject());}}
}运行结果：java.lang.OutOfMemoryError：Java heap space.....；
解决办法为：一般手段为通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对Dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必要的，也就是分清楚到底是出现了内存泄漏（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）；
内存泄漏：进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄漏对象的类型信息及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。
内存溢出：如果不是内存泄漏，那就是内存溢出，检查虚拟机参数（-Xms与-Xmx），与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长，持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。
虚拟机栈和本地方法栈溢出：
由于HotSpot虚拟机并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此，对于HotSpot来说，虽然参数-Xoss参数（设置本地方法栈大小）存在，但实际无效，栈容量只由-Xss参数设定。虚拟机栈和本地方法栈，在JVM规范中描述了两种异常：
1：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；
2：如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。
虽然分为了两种情况看似严谨，但是却存在重叠的地方：当栈空间无法继续分配时，到底是内存太小还是已使用的栈空间太大，其本质上只是对同一件事情的两种描述而已，在实验室，将实验限制为单线程尝试下面两种方法都无法让虚拟机产生OOM异常，都是StackOverflowError异常。
1：使用-Xss参数减少栈内存容量。结构：抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的堆栈深度相应缩小；
2： 定义了大量的本地变量，增大了此方法帧中本地变量表的长度。结果：抛出StackOverflowError异常时输出的堆栈深度相应缩小。
/*** 单线程操作* VM Args: -Xss128k* @author Peter**/
public class JavaVMStackSOF {private int stackLength = 1;public void stackLeak(){stackLength++;stackLeak(); //使用递归方法调用，增加了大量的本地变量}public static void main(String[] args)throws Throwable{JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();try{oom.stackLeak();}catch(Throwable e){System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);throw e;}}
}
结果表明：在单个线程下，无论是栈帧太大还是虚拟机容量太小，当内存无法分配时，虚拟机抛出的都是SOF异常。如果测试时不限于单线程，通过不断地建立线程的方式倒是可以产生内存溢出异常，如下面的代码所示。但是这样产生的内存溢出异常与栈空间是否足够大并不存在任何联系，或者准确的说，在这种情况下，为每个线程的栈分配的内存越大，反而越容易产生内存溢出异常。
开发多线程时一定要注意，出现StackOverflowError异常时有错误堆栈可以阅读，相对来说，比较容易找到问题所在。而且，如果使用虚拟机默认的产数，栈深度在大多情况下达到1000-2000是完全没有问题，对于正常的方法调用，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。
/*** 创建线程导致内存溢出异常* VM Args:-Xss2M* @author Peter**/
public class JavaVMStackOOM {private void dontStop(){while(true){}}public void stackLeakByThread(){while(true){Thread thread = new Thread(new Runnable(){public void run(){dontStop();}});thread.start();}}public static void main(String[] args){JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();oom.stackLeakByThread();}
}
运行结果：Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError：unable to create new native thread
方法区和运行时常量池溢出
由于运行时常量池是方法区的一部分，故放在一起测试OOM。
String.intern()是一个Native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此String对象的引用。（在JDK1.6及之前的版本中，由于常量池分配在永久代内，我们可以通过-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量）
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/*** VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M* @author Peter**/
public class RuntimeConstantPoolOOM {public static void main(String[] args){//使用List保持常量池引用，避免Full GC回收常量池行为List<String> list = new ArrayList<String>();//10MB 的PermSize在integer范围内足够产生OOM了int i = 0;while(true){list.add(String.valueOf(i++).intern());}}
}运行结果：Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError：PermGen space（PermGen space：说明运行时常量池属于方法区的一部分），但是使用JDK1.7将不会得到相同的结果，while循环将一直进行下去。
public class RuntimeConstantPoolOOM1 {public static void main(String[] args) {String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();System.out.println(str1.intern() == str1);String str2 = new StringBuilder("Ja").append("va").toString();System.out.println(str2.intern() == str2);}
}
方法区用于存放class的相关信息，如类名，访问修饰符，常量池，字段描述，方法描述等。对于这些区域的测试，基本思路就是运行时产生大量的类区填满方法区，直到溢出。
方法区溢出也是一种常见的异常，一个类要被垃圾收集器回收掉，判定条件是比较苛刻的。在经常动态生成大量class的应用中，需要特别注意类的回收状况。
本机直接内存溢出
DirectMemory容量可通过-XX：MaxDirectMemorySize指定，如不指定，则默认与Java堆最大值一样。
/*** VM Args:-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M* @author Peter**/
public class DirectMemoryOOM {private static final int _1MB = 1024*1024;public static void main(String[] args) throws Exception{Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField()[0];unsafeField.setAccessible(true);Unsafe unsafe = (Unsafe)unsafeField.get(null);while(true){unsafe.allocateMemory(_1MB);}}
}
运行结果：Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
上面的代码越过了DirectByteBuffer类，直接通过反射获取Unsafe实例进行内存分配。虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常，但它抛出异常时并没有真正向操作系统申请分配内存，而是通过计算得知内存无法分配，于是手动抛出异常，真正申请分配内存方法是
unsafe.allocateMemory(_1MB);五：总结
这就是我看完JVM第二章的收获
。
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