Java 内存区域与内存溢出异常

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一、运行时数据区域

1、程序计数器 Program Counter Register
  • 较小的内存空间
  • 字节码的行号指示器，通过改变这个计数器的值来选取下一条字节码指令
  • 每个线程都有一个独立的程序计数器
  • 线程私有内存
2、Java 虚拟机栈 JVM Stacks
  • 和计数器一样线程私有，生命周期与线程相同
  • 每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表等
  • 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用等
  • StackOverFlowError：当线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度
  • OutOfMemoryError：当虚拟机动态扩展无法申请到足够的内存时
3、本地方法栈 Native Method Stack
  • 为虚拟机使用到的 Native 方法服务
  • 和虚拟机栈非常相似
4、Java 堆 Java Heap
  • 被所有线程共享的一块内存区域，虚拟机启动时创建
  • 用于存放对象实例
  • 所有对象实例以及数组都要在堆上分配
  • 是 GC 管理的主要区域
  • 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。
  • OutOfMemoryError：如果堆中没有内存来分配给实例，并且也无法扩展时
5、方法区 Method Area
  • 和Java 堆一样，是各个线程的共享内存区域
  • 也成为永久代Permanent Generation，因为 HotSpot VM 选择把 GC 分代收集器扩展至方法区
  • 用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即使编译器编译后的代码等数据
  • OutOfMemoryError： 当方法区无法满足内存分配需求时
6、运行时常量池 Runtime Constant Pool
  • 是方法区的一部分
  • 用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，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
  • OutOfMemory： 当常量池无法申请到内存时
7、直接内存 Direct Memory
  • 不是虚拟机运行时数据的一部分，也不是 java 虚拟机规范中定义的内存区域
  • Channel 和 Buffer 可以使用 native 函数库直接分配堆外内存

二、HotSpot 虚拟机对象探秘

1、对象的创建

  • 遇到 new 指令，检查该类有没有被加载
  • 加载通过，分配内存，有指针碰撞，空闲列表
  • 用 CAS 失败重试保证更新指针划分的原子性 解决并发
  • 用 TLABThreadLocal Allocation Buffer解决并发
  • 虚拟机对对象进行设置

2、对象内存的布局

对象在内存中布局分为3块：对象头、实例数据、对齐填充

  • 对象头：
    • 一部分用于存储自身运行时数据
    • 一部分是类型指针，通过该指针确定是哪个类的实例
  • 实例数据：程序代码中定义的各种类型的字段内容
  • 对齐填充：非必要，占位符

3、对象的访问定位

java 程序需要通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。reference 类型只规定了一个指向对象的引用，访问对象的方式有使用句柄和直接访问两种

  • 使用句柄：
    • Java 堆中会划出一块内存来作为句柄池，reference 存储的就是对象的句柄地址
    • 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
    • 优点：对象移动时不用改变 reference，只要改动句柄中的实例数据指针
  • 指针直接访问：
    • reference 中存储的就是对象地址
    • 优点：速度快

三、OutofMemoryError 异常

1、Java 堆溢出

  • 将-Xms 与-Xmx 参数设置为一样即可避免堆自动扩展
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：可以让虚拟机在出现内存溢出异常时 Dump 出当前的内存堆转储快照，以便事后进行分析
  • 通过内存映像分析工具对 Dump 出来的堆转储快照进行分析
  • 如果是内存泄露，可进一步查看泄露对象到 GC Roots 的引用链，从而定位出泄露代码的位置
  • 如果内存不泄露，那就检查虚拟机的堆参数，检查是否可以调大，检查代码是否有对象生命周期过长，尝试减少内存消耗

2、虚拟机栈和本地方法栈溢出

HotSpot 虚拟机中不区分虚拟机栈和本地方法栈。

栈容量只由-Xss 参数设定

  • 如果线程请求的栈深度大于VM 所允许的栈深度，将抛出 StackOverFlowError 异常
  • 如果VM 在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError 异常
  • 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
  • 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VM 的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来获取更多的线程

3、方法区和运行时常量池溢出

运行时常量池是方法区的一部分。

OOM ：PermGen Space说明运行时常量池属于方法区。

  • JDK1.6中，intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中，返回的也是永久代中这个字符串实例的引用，而由 StringBuilder 创建的字符串实例在 Java 堆上，必然不是同一个引用
  • JDK1.7中，intern()实现不会再复制实例，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，所以返回的引用和 StringBuilder 创建的字符串实例是同一个
  • 在经常动态生成大量 Class 的应用中，需要注意类的回收状况，容易发生方法区被填满

4、本机内存直接溢出

  • DirectMemeory容量可以通过-XX: MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认和 Java 堆最大值一样。
  • 由DirectMemeory导致的内存溢出，一个明显的特征是在 Heap Dump 文件中不会看见明显异常。