2、JVM--Java内存区域与内存溢出异常

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外面的人想
进去，墙里面的人却想出来。

2.1、概述

对于从事C、C++程序开发的开发人员来说，在内存管理领域，他们既是拥有最高权力
的“皇帝”又是从事最基础工作的“劳动人民”——既拥有每一个对象的“所有权”，又担负着每
一个对象生命开始到终结的维护责任。

对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操
作去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存这
一切看起来都很美好。不过，也正是因为Java程序员把内存控制的权力交给了Java虚拟机，
一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误
将会成为一项异常艰难的工作

2.2、运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。

这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而

存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

2.2.1、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线
程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能
会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选
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都需
要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，
在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线
程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立
的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私
有”的内存

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指
令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域
是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.2.2、Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的
生命周期与线程相同。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、方法出口

等信息。每一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到出
栈的过程。

经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗
糙，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最
关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“堆”笔者在后面会专
门讲述，而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、
float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对
象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和
returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据
类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这
个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变
量表的大小。

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；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部
分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如
果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.3、本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间
的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚
拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式
与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如
Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法
栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常

2.2.4、Java堆

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。
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。此内存区域的唯一目的就
是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描
述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技
术逐渐成熟，栈上分配、标量替换[优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都
分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”（Garbage
Collected Heap，幸好国内没翻译成“垃圾堆”）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基
本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有
Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的
Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。不
过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划
分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。在本章中，我们仅仅针对内存区域
的作用进行讨论，Java堆中的上述各个区域的分配、回收等细节。

根据Java虚拟机规范的规定，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，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是
可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如
果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异
常

2.2.5、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。虽然Java虚拟机规
范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应
该是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人都更愿意把方法区
称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的
设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样
HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内
存管理代码的工作。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来说是不存在永久代的概
念的。原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永久代
来实现方法区，现在看来并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题（永久代
有-XX：MaxPermSize的上限，J9和JRockit只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系
统中的4GB，就不会出现问题），而且有极少数方法（例如String.intern（））会因这个原因
导致不同虚拟机下有不同的表现。因此，对于HotSpot虚拟机，根据官方发布的路线图信
息，现在也有放弃永久代并逐步改为采用Native Memory来实现方法区的规划了，在目前已
经发布的JDK 1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以
选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个
区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这区
域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域的回
收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确
实是必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的
HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

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。

2.2.6、运行时常量池

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（Constant Pool Table），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。

Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字
节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行
时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自
己的需要来实现这个内存区域。不过，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，
还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不
要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方
法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较
多的便是String类的intern（）方法。

String a1 = "abs";
String a2 = "abs";

String a3 = new String("abs");
System.out.println(a1 ==a2);
System.out.println(a1==a3);
System.out.println(a1==a3.intern());

true
false
true

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申
请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.7、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Java虚拟机规
范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError
异常出现，所以我们放到这里一起讲解。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓
冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储
在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样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。

显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是
会受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限
制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略
直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），
从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常

2.3、HotSpot虚拟机对象探秘

2.3.1、对象的创建

Java是一门面向对象的编程语言，在Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出
来。在语言层面上，创建对象（例如克隆、反序列化）通常仅仅是一个new关键字而已，而
在虚拟机中，对象（文中讨论的对象限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等）的创建
又是怎样一个过程？

虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一
个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没
有，那必须先执行相应的类加载过程？

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类
加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把
一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内
存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配
内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称
为“指针碰撞”（Bump the Pointer）。

如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空
闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记
录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，
并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”（Free List）。选择哪种分配方式由
Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决
定。因此，在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针
碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用空闲列表。

线程安全性问题：

除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常
频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，
可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来
分配内存的情况。解决这个问题有两种方案，一种是对分配内存空间的动作进行同步处理
——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另一种是把内存分
配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内
存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。哪个线程要分配内
存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。
虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。

对象的结构：
内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），
如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象的实
例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应
的零值。

接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找
到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对
象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对
象头会有不同的设置方式。关于对象头的具体内容，稍后再做详细介绍。

获取哈希值

在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程
序的视角来看，对象创建才刚刚开始——＜init＞方法还没有执行，所有的字段都还为零。
所以，一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），执行new指令之后会接着
执行＜init＞方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完
全产生出来。

2.3.2、对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、
实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，
如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时
间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和
64bit，官方称它为“Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32位、
64位Bitmap结构所能记录的限度，但是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储
成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的
空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如，在32位的
HotSpot虚拟机中，如果对象处于未被锁定的状态下，那么Mark Word的32bit空间中的25bit用
于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0，而在
其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容见表

对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指
针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型
指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身，
另外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因
为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中
却无法确定数组的大小。

接下来的实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类
型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。这部分
的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义顺
序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、

bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中可以看出，相同宽度的字段
总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之
前。如果CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入
到父类变量的空隙之中。

第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。
由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，
就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），
因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

2.3.3、对象访问定位

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的
具体对象。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，并没有定
义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是
取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

如果使用句柄访问的话，那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中

存储的就是对象的句柄地址，而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

如果使用直接指针访问，那么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，而reference中存储的直接就是对象地址

这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳
定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）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就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，
由于对象的访问在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。就本书讨论的主要虚拟机Sun HotSpot而言，它是使用第二种方式进行对象访问的，但从
整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。