JAVA内存区域与内存溢出异常

 

1，运行时数据区域

根据JAVA虚拟机规范的规定：JAVA虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域

 

 

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，通过改变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。每条线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存，也是唯一不会出现OutOfMemoryError情况的区域。

 

JAVA虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有，它的生命周期与线程相同，用来描述JAVA方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等。每一个方法从被调用到执行完成的过程，也就一个栈帧在虚拟机栈从入栈到出栈的过程。

    在JAVA虚拟机规范中，对这个区域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，当扩展到无法申请到足够的内存时，会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stacks）与上述的虚拟机栈非常类似，只是虚拟机栈为执行JAVA方法服务，而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。

 

 JAVA堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理内存中最大的一块，被所有线程共享，在虚拟机启动时创建，此内存区域的唯一目的就是为了存放对象实例。JAVA堆是垃圾回收器管理的主要区域。如果堆中没有足够的内存完成实例分配，并且堆无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

 

方法区（Method Area）方法区也被称为“持久代”，此内存区域与堆一样，也是线程共享的。它用于存储已被虚拟机加载的类(java.lang.Class)信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。垃圾回收行为在这个区域是比较少见的，并且可以选择不回收。

当此区域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量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池。当常量池无法再分配到内存时，也会抛出OutOfMemoryError异常。

 

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被使用，并且也可能抛出OutOfMemoryError异常。如NIO可以使用Native函数库直接分配堆外内存。

 

2，对象访问

介绍完JAVA运行时数据区域后，再看看JAVA对象访问是如何进行的。

即使是最简单的访问，也会涉及JAVA栈、JAVA堆、方法区三个最重要的内存区域，如下代码

Object obj = new Object();

假设这段代码出现在方法体中，那"Object obj"这部分的语义将会反映到JAVA栈的局部变量表中，作为一个reference类型的数据出现，因此就存在虚拟机栈中。 而"new Object();"这部分的语义将会反映到JAVA堆中，形成一个存储了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。另外，在JAVA堆中还必须包含能查找到此对象类型数据（如对象类型、父类、实现的接口、方法等）的地址信息，这些类型数据则存储在方法区中。

  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，并没有规定用哪种方式去实现，因此不同的虚拟机实现的方式会有所不同，主流的访问方式有两种：使用句柄与使用指针：

 

句柄：JAVA堆中会划分出一块内存来作为字柄池，reference存放的是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例和类型数据各自的具体地址信息： 如下图所示 ：

 

指针：如果使用指针访问方式，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

这两种方式各有优势，使用句柄访问最大的好处就是reference存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。使用指针的好处就是速度快，节省一次指针定位的时间开销。Sun HotSpot虚拟机使用第二种方式进行对象访问。

 

3，实战：OutOfMemoryError异常

 在JAVA虚拟机规范描述中：除了程序计数器外，其它几个内存区域都有发生OutOfMemoryError异常的可能，本节通过若干实例来验证异常发生的场景。

注意：每个示例代码的开头都会注明虚拟机启动参数的设置，具体设置方法如下图：

 

3.1:JAVA堆溢出：

package com.chapter1;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * -Xms20m -Xmx20m
 */
public class HeapOOm {
    static class OOmObject{
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<OOmObject> oomList = new ArrayList<OOmObject>();
        while(true){
            oomList.add(new OOmObject());//不断生成新对象
        }
    }
}

 

运行结果：

 

-Xms表示堆内存的最小值，-Xmx表示堆内存的最大值。
上例通过不断生成新对象，导致内存溢出。

 

3.2虚拟机栈和本地方法栈溢出

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

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

一般在单线程程序情况下无法产生OutOfMemoryError异常

 

package com.chapter1;

/**
 * -Xss128k
 */
public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak(){
        stackLength ++;
        stackLeak();
    }
    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try {
            oom.stackLeak();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("stack lenght:"+oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

 

运行结果：

 

下面这个示例，尝试使用多线程方式得到OutOfMemeoryError的结果， -Xss参数是用于设置每个线程的堆栈大小。

package com.chapter1;

/**
 *-Xss2M
 */
public class JavaVMStackOOM {
    private void dontStop(){
        while (true) {
        }
    }
    public void stackLeakByThread(){
        int i = 0;
        while(true){
            System.out.println(i++);
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}

 

 

3.3运行时常量池溢出(也是方法区的一部分)

package com.chapter1;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 *-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        int i = 0;
        while(true){
            System.out.println(i);
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

 运行结果：

3.4方法区溢出：

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。对于这个区域的测试，大概思路是运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出，本例使用CGLib直接操作字节码，生成大量动态类

package com.chapter1;

import java.lang.reflect.Method;
import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

/**
 *-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class JavaMethodAreaOOM {
    public static void main(String[] args) {
        while(true){
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args,
                        MethodProxy proxy) throws Throwable {
                    return proxy.invokeSuper(obj, args);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }
    static class OOMObject{
    }
}

 由于CGLib的原因，本例在我电脑上并未调试通过。

3.5 本机直接内存溢出

DirectMemory容量可以通过-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与JAVA堆的最大值一样，

package com.chapter1;

import java.lang.reflect.Field;
import sun.misc.*;
/**
 *-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 */
public class DirectMemoryOOM {
    private static final int _1MB = 1024*1024;
    public static void main(String[] args) {
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
    }
}