深入理解JVM - Java内存区域与内存溢出异常 - 第二章

一 运行时数据区域

JVM在执行Java程序的过程中会把它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。

程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间，它的作用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（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），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，分支/循环/跳转/异常处理/线程恢复等基础功能都需要依赖计数器来完成。

JVM的多线程为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都有独立的程序计数器，各条线程之间的计数器独立存储，我们称这类存储区域为“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（Undefined）。此内存区域时唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）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：每个方法被执行时都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表/操作栈/动态链接/方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，都对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗燥，其中所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本类型（boolean/byte/char/short/int/float/long/double）/对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

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，这个方法需要的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。其中64bit的long和double类型的数据占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：如果线程的请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverFlowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分虚拟机都可以动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言/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。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

对大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机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都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也称做“GC堆”（GarBage Collected Heap）。

根据Java虚拟机规范，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，不过当前主流虚拟机都是按照可扩展实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在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

方法区（Method Area）与Java堆一样，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、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区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。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），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而已。其他虚拟机不存在永久代的概念。

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，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是比较少出现的，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，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。

根据Java虚拟机规范的规定，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）是方法区的一部分。Class文件除了有类的版本/字段/方法/接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面两和符号引用，这部分内容将在加载后存放到方法区的运行时常量池。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会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

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，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

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堆里面的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。

本地直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但会受到本机内存和处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得各个内存区域的综合大于物理内存限制（包括物理上的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

二 对象的访问

Object obj = new Object();

"Object obj"这部分的语义反映到Java栈的本地变量表中，作为一个reference类型数据出现。

"new Object()"这部分的语义将反映到Java堆中，形成一块存储了Object类型所有实例数据值（Instance Data，对象中各个实例字段的数据）的结构化内存。根据具体类型以及虚拟机实现的对象内存布局（Object Memory Layout）的不同，这块内存的长度是不固定的。另外，在Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据（对象类型/父类/实现接口/方法等）的地址信息，这些类型数据则存储在方法区中。

reference类型访问java堆中对象具体位置，主流的两种：使用句柄和直接指针：

使用句柄：

Java堆中将会划分出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和类型数据各自的具体地址信息。

最大好处是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时非常普遍的行为）时只会改变句柄中实例指针，而reference本身不需要被修改。

直接指针：

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，reference中直接存储的就是对象地址。

最大好处是速度快，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也是一项非常可观的执行成本。