JVM内存区域与内存溢出异常

Java虚拟机在执行java程序时会把它所管理的内存会分为若干个不同的数据区域，不同的区域在内存不足时会抛出不同的异常。

一、运行时数据区域的划分

（1）程序计数器
程序计数器（Program Counter Register）是一块比较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器；
PCR为线程私有内存，程序计数器是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OOM情况的区域。

（2）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。
也称为永久代（Permanent Generation）但随着Java8的到来，已放弃永久代改为采用Native Memory来实现方法区的规划。
此区域回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

（3）JVM栈
虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法接口等信息。每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈出栈的过程。
Java虚拟机栈也是线程私有，它的生命周期与线程相同。
Java内存区常分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack）；

OOM情况：
线程请求的栈深度>虚拟机所运行的最大深度；
虚拟机动态扩展时无法申请到足够的内存

（4）本地方法栈
与虚拟机栈作用很相似，区别是虚拟机栈为虚拟机执行java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机用到的Native方法服务。和虚拟机栈一样可能抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

（5）Java堆
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。主要存放对象实例。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，其可细分为新生代和老年代。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且也无法再扩展时，会抛出OutOfMemoryError异常。

（6）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，也不是虚拟机规范中定义的内存区域。
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。
直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但会收到本机总内存（RAM以及SWAP/分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。
设置Xmx等参数信息时注意不能忽略直接内存，不然会引起OOM。

二、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，
对象访问方法取决于不同的JVM实现，目前主流访问方式有使用句柄和直接指针2种。

（1）句柄访问

Java堆中划分出一块内存作为句柄池，reference中存储对象的句柄地址，句柄中包含对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息；

（2）直接指针访问

Java堆对象的布局中必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储对象地址；

（3）两种访问方式比较
使用句柄访问最大的好处是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（GC时移动对象是很普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改；
使用直接指针访问方式的最大好处是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本；
HotSpot虚拟机采用指针访问方式进行对象访问，从整个软件开发范围看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也非常常见。

三、几种内存溢出异常及解决

虚拟机主要的几种异常是OutOfMemoryError异常和虚拟机栈和本地方法栈溢出，以及运行时常量池溢出等。

（1）OutOfMemoryError异常

除了程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError(OOM)异常的可能，

java堆用于存储对象实例，我们只要不断的创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，就会在对象数量达到最大堆容量限制后产生内存溢出异常。
出现这种异常，一般手段是先通过内存映像分析工具(如Eclipse Memory Analyzer)对dump出来的堆转存快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必要的，先分清是因为内存泄漏(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow)。
如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄漏对象时通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收。
如果不存在泄漏，那就应该检查虚拟机的参数(-Xmx与-Xms)的设置是否适当。

（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
这里需要注意每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数就越少，建立线程时候就越容易耗尽剩余内存。

按虚拟机默认参数，栈深度在大多数情况下达到1000~2000完全没问题，对于正常方法调用（包括递归），这个深度应该完全够用；

但如果是建立过多线程导致内存溢出，在不能减少线程数或者更换X64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程

（3）方法区和运行时常量区溢出
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
运行时常量池溢出（HotSpot虚拟机中的永久代），
如果要向运行时常量池中添加内容，最简单的做法就是使用String.intern()这个Native方法。

运行时常量池溢出（HotSpot虚拟机中的永久代），
如果要向运行时常量池中添加内容，最简单的做法就是使用String.intern()这个Native方法。
该方法的作用是如果池中已经包含一个等于此String的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此String对象的引用。
由于常量池分配在方法区内，我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小，从而间接限制其中常量池的容量。

四、Java如何获得JVM内存使用情况

要获得JVM相关的内存信息，需要使用Runtime类的totalMemory(), maxMemory() 和 freeMemory()三个方法。

import java.text.DecimalFormat;
 
public class Test{
 
/**
* 显示JVM总内存，JVM最大内存和总空闲内存
*/
public void displayAvailableMemory() {
 
DecimalFormat df = new DecimalFormat(“0.00″) ;
 
//显示JVM总内存
long totalMem = Runtime.getRuntime().totalMemory();
 
System.out.println(df.format(totalMem 1000000F) + ” MB”);
 
//显示JVM尝试使用的最大内存
long maxMem = Runtime.getRuntime().maxMemory();
System.out.println(df.format(maxMem 1000000F) + ” MB”);
 
//空闲内存
long freeMem = Runtime.getRuntime().freeMemory();
System.out.println(df.format(freeMem 1000000F) + ” MB”);
 
}
 
/**
* Starts the program
* @param args the command line arguments
*/
public static void main(String[] args) {
new Main().displayAvailableMemory();
}
}

参考

JVM学习笔记（二）Java内存区域与内存溢出异常

Java 内存区域与内存溢出