Java内存区域与内存溢出

内存区域

　　程序计数器（Program Counter Register）

　　Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

　　该区域也是线程私有的，它的生命周期也与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧，栈它是用于支持续虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。对于执行引擎来讲，活动线程中，只有栈顶的栈帧是有效的，称为当前栈帧，这个栈帧所关联的方法称为当前方法，执行引擎所运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和一些额外的附加信息。在编译程序代码时，栈帧中需要多大的局部变量表、多深的操作数栈都已经完全确定了，并且写入了方法表的Code属性之中。因此，一个栈帧需要分配多少内存，不会受到程序运行期变量数据的影响，而仅仅取决于具体的虚拟机实现。

　　在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：

　　1、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。

　　2、如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

　　这里有一点要重点说明，在多线程情况下，给每个线程的栈分配的内存越大，越容易产生内存溢出异常。操作系统为每个进程分配的内存是有限制的，虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区这两部分内存的最大值，忽略掉程序计数器消耗的内存（很小），以及进程本身消耗的内存，剩下的内存便给了虚拟机栈和本地方法栈，每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数量自然就越少。因此，如果是建立过多的线程导致的内存溢出，在不能减少线程数的情况下，就只能通过减少最大堆和每个线程的栈容量来换取更多的线程。当由于创建过量线程发生OOM时，会报错：java.lang.OutOfMemoryError, unable to create new native thread。

　　本地方法栈（Native Method Stacks）

　　该区域与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为使用到的本地操作系统（Native）方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError与OutOfMemoryError异常。

　　Java堆（Java Heap）

　　Java Heap是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，它是所有线程共享的一块内存区域，几乎所有的对象实例和数组都在这类分配内存。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”。

　　根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处在物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。如果在堆中没有内存可分配时，并且堆也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

　　注意：随着JIT编译器的发展与逃逸技术逐渐成熟，所有对象都分配在堆上也逐渐变得不是那么绝对了，线程共享的Java堆中也可能划分出线程私有的分配缓冲区（TLAB）。

　　方法区（Method Area）

　　方法区也是各个线程共享的内存区域，它用于存储已经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。Java虚拟机规范把方法区描述为Java堆的一个逻辑部分，而且它和Java Heap一样不需要连续的内存，可以选择固定大小或可扩展，另外，虚拟机规范允许该区域可以选择不实现垃圾回收。相对而言，垃圾收集行为在这个区域比较少出现。不过，这部分区域的回收是有必要的，如果这部分区域永远不回收，那么类型就无法卸载，我们就无法加载更多的类，HotSpot的该区域有实现垃圾回收。

　　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。

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，它直接从操作系统中分配，因此不受Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制，因此它也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在JDK1.4中新引入了NIO机制，它是一种基于通道与缓冲区的新I/O方式，可以直接从操作系统中分配直接内存，即在堆外分配内存，这样能在一些场景中提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

　　当使用超过虚拟机允许的直接内存时，虚拟机会抛出OutOfMemoryError异常，由DirectMemory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的异常。一般来说，如果发现OOM后Dump文件很小，那就应该考虑一下，是不是这块内存发生了溢出。

　　内存溢出

　　Java堆内存溢出

public class HeapOOM {

static class OOMObject {

}

public static void main(String[] args) {

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

while (true) {

list.add(new OOMObject());

　　运行以上代码时，可以增加运行参数-Xms20m -Xmx20m，该参数限制Java堆大小为20M，不可扩展。运行结果如下：

<span style="color: #ff0000;">Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space</span>

at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2245)

at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2219)

at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:242)

at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:216)

at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:208)

at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:440)

at HeapOOM.main(HeapOOM.java:17)

　　可以看到，在堆内存溢出时，除了会报错java.lang.OutOfMemoryError外，还会跟着进一步提示Java heap space。

　　虚拟机栈和本地方法栈溢出

　　要让虚拟机栈内存溢出，我们可以使用递归调用：因为每次方法调用都需要向栈中压入调用信息，当栈的大小固定时，过深的递归将向栈中压入过量信息，导致

StackOverflowError：

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 (Throwable e) {

System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);

throw e;

　　运行以上代码，输出如下：

　　stack length:10828

　　<span style="color: #ff0000;">Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError</span>

　　at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)

　　at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:11)

　　可以看到，在我的电脑上运行以上代码，最多支持的栈深度是10828层，当发生栈溢出时，会报错java.lang.StackOverflowError。

　　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、字段描述等，对于这个区域的测试，基本思路是运行时使用CGLib产生大量的类去填充方法区，直到溢出：

public class JavaMethodAreaOOM {

while( true) {

Enhancer enhancer = new Enhancer();

enhancer.setSuperclass(OOMObject. class);

enhancer.setUseCache( false);

enhancer.setCallback( new MethodInterceptor() {

@Override

public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args,

MethodProxy proxy) throws Throwable {

return proxy.invokeSuper(obj, args);

});

enhancer.create();

　　运行时增加虚拟机参数：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M，限制永久代大小为10M，最后报错为java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space。报错信息明确说明，溢出区域为永久代。

　　总结

　　本文主要说明Java虚拟机一共分为哪几块内存区域，以及这几块内存区域是否会内存溢出，如果这些区域发生内存溢出报错如何。了解这些知识后，以后遇到内存溢出报错，我们就可以定位到具体内存区域，然后具体问题，具体分析。

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