Java記憶體區域與記憶體溢位異常

概述

對於Java程式設計師來說，在虛擬機器自動記憶體管理機制的幫助下，不再需要為每一個new操作去寫配對的delete/free程式碼，不容易出現記憶體洩漏和記憶體溢位問題，由虛擬機器管理記憶體。

執行時資料區域

Java虛擬機器在執行Java程式的過程中會把所管理的記憶體劃分為若干個不同的資料區域：

執行時資料區包括：

方法區

虛擬機器棧

本地方法棧

堆

程式計數器

1、程式計數器

一塊較小的記憶體空間，可以看作是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器；執行緒隔離的記憶體區域，也稱“執行緒私有”。

執行緒正在執行一個Java方法，指向的是虛擬機器位元組碼指令的地址；正在執行的是

唯一一個在Java虛擬機器規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

2、Java虛擬機器棧

執行緒私有的，他的生命週期與執行緒相同。虛擬機器棧描述的是Java方法執行的記憶體模型；每個方法在執行的同事都會建立一個棧幀用於儲存區域性變量表、運算元棧、動態連結、方法出口等資訊。每個方法從呼叫直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機器棧中入棧到出棧的過程。

Java虛擬機器規範中，對這個區域規定了兩種異常狀態：如果執行緒請求的棧深度大於虛擬機器所允許的深度，將丟擲StackOverflowError異常；如果虛擬機器棧可以動態擴充套件，如果擴充套件時無法申請到足夠的記憶體，就會丟擲

3、本地方法棧

本地方法棧與虛擬機器棧所發揮的作用是相似的，他們之間的區別不過是虛擬機器棧為虛擬機器執行Java方法服務，而本地方法棧則為虛擬機器使用的Native方法服務。有的虛擬機器(Sun HotSpot)直接把本地方法棧和虛擬機器棧合二為一。會丟擲StackOverflowError和OutOfMemoryError。

4、Java堆

Java堆是Java虛擬機器所管理的記憶體中最大的一塊。所有執行緒共享這塊記憶體區域，在虛擬機器啟動時建立。此記憶體區域的唯一目的就是存放物件例項，幾乎所有的物件例項都是在這裡分配記憶體。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，從記憶體回收的角度來看，由於現在收集器基本都採用分代收集演算法，所以

Java堆可以處於物理上不連續的記憶體空間中，只要邏輯上是連續的即可。

5、方法區

各個執行緒共享的記憶體區域，他用於儲存已被虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料。Java虛擬機器規範把方法區描述為堆的一個邏輯部分。HotSpot中，有人把方法區稱為“永久代”。

6、執行時常量池

執行時常量池是方法區的一部分。Class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊是常量池，用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分記憶體將在類載入後進入方法區的執行時常量池中存放。

執行時常量池相對於Class檔案常量池的另外一個重要特徵是具備動態性。

6、直接記憶體

直接記憶體並不是虛擬機器執行時資料區的一部分，也不是Java虛擬機器規範中定義的記憶體區域。

在JDK1.4中新加入了NIO類，引入了一種基於通道與緩衝區的I/O方式，他可以使用Native函式庫直接分配堆外記憶體，然後通過一個儲存在Java堆中的DirectByteBuffer物件作為這塊記憶體的引用進行操作。這樣避免了再Java堆和Native堆中來回複製資料。

HotSpot虛擬機器物件探祕

1、物件的建立

Java堆是否規整（是否規整由所採用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定）：

規整：指標碰撞

不規整：空閒列表

分配記憶體；初始化。

2、物件的記憶體佈局

在HotSpot虛擬機器中，物件在記憶體中儲存的佈局可以分為3塊區域：物件頭(Header)、例項資料(Instance Data)和對齊填充(Padding)。

物件頭包括兩部分資訊，第一部分用於儲存物件自身的執行時資料，如雜湊碼、GC分代年齡、鎖狀態標誌、執行緒持有的鎖、偏向執行緒ID、偏向時間戳等。資料長度在32位和64位虛擬機器(為開啟壓縮指標)中分別為32bit和64bit，官方稱他為“Mark Word”。另一部分是型別指標，即物件指向他的類元資料的指標，虛擬機器通過這個指標來確定這個物件是那個類的例項。如果物件是一個Java陣列，那在物件頭中還必須有一塊用於記錄陣列長度的資料。

例項資料是物件真正儲存的有效資訊，也是在程式程式碼中所定義的各種型別的欄位內容。無論是從父類繼承下來的，還是在子類中定義的，都需要記錄起來。

對齊填充並不是必然存在的，也沒有特別的含義，HotSpot VM是8位元組對齊。

3、物件的訪問定位

建立物件是為了使用物件，我們的Java程式需要通過棧上的reference資料來操作堆上的具體物件。目前主流的訪問方式有使用控制代碼和直接指標兩種。

控制代碼訪問，Java堆中將會劃分出一塊記憶體來作為控制代碼池，reference中儲存的就是物件的控制代碼地址，控制代碼中包含了物件例項資料與型別資料各自的具體地址資訊。

直接指標訪問，Java堆物件的佈局中就必須考慮如何放置訪問型別資料的相關資訊，而reference中儲存的直接就是物件地址。

比較：

控制代碼訪問最大好處就是reference中儲存的是穩定的控制代碼地址，物件被移動時只會改變控制代碼中的例項資料指標，reference本身不需要修改。

直接指標訪問方式的最大好處就是速度更快，他節省了一次指標定位的時間開銷。HotSpot就是採用的這種方式。

實戰：OutOfMemoryError異常

1、Java堆溢位

Java堆用於儲存物件例項，只要不斷地建立物件，並且保證GC Roots到物件之間有可達路徑來避免垃圾回收機制清除這些物件。

import java.util.ArrayList;

import java.util.List;

public class HeapOOM {

    public static void main(String args[]) {

        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();

        while(true) {

            list.add(new OOMObject());

        }

    }

}

2、虛擬機器棧和本地方法棧溢位

public class VMStackOF {

    private int length = 1;

    public void stackLeak() {

        length++;

        stackLeak();

    }

    public static void main(String args[]) {

        VMStackOF vmStackOF = new VMStackOF();

        vmStackOF.stackLeak();

    }

}

3、方法區和執行時常量池溢位

4、本機直接記憶體溢位