深入淺析Java中的內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出異常

深入淺析Java中的內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出異常？相信很多沒有經(jīng)驗(yàn)的人對(duì)此束手無策，為此本文總結(jié)了問題出現(xiàn)的原因和解決方法，通過這篇文章希望你能解決這個(gè)問題。

Java內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出異常

概述

對(duì)于 C 和 C++程序開發(fā)的開發(fā)人員來說，在內(nèi)存管理領(lǐng)域，程序員對(duì)內(nèi)存擁有絕對(duì)的使用權(quán)，但是也要主要到正確的使用和清理內(nèi)存，這就要求程序員有較高的水平。

而對(duì)于 Java 程序員來說，在虛擬機(jī)的自動(dòng)內(nèi)存管理機(jī)制的幫助下，不再需要為每一個(gè) new 操作去寫配對(duì)的 delete/free 代碼，而且不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出問題，看起來由虛擬機(jī)管理內(nèi)存一切都很美好。不過，也正是因?yàn)?Java 程序員把內(nèi)存控制的權(quán)力交給了 Java 虛擬機(jī)，一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和溢出方面的問題，如果不了解虛擬機(jī)是怎樣使用內(nèi)存的，那排查錯(cuò)誤將會(huì)成為一項(xiàng)異常艱難的工作。

Java運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

我們一般在開發(fā)中認(rèn)為JVM不過有堆和棧兩部分組成，但是實(shí)際的Java 虛擬機(jī)在執(zhí)行 Java 程序的過程中會(huì)把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。這些區(qū)域都有各自的用途，以及創(chuàng)建和銷毀的時(shí)間，有的區(qū)域隨著虛擬機(jī)進(jìn)程的啟動(dòng)而存在，有些區(qū)域則是依賴用戶線程的啟動(dòng)和結(jié)束而建立和銷毀。如下圖：

程序計(jì)數(shù)器

如果學(xué)習(xí)過計(jì)算機(jī)組成原理的應(yīng)該很清楚，程序計(jì)數(shù)器就相當(dāng)于身份證一樣，由于JVM也有自己的CPU，在執(zhí)行多線程程序的時(shí)候，通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式，根據(jù)程序計(jì)數(shù)器來調(diào)度線程的執(zhí)行。

程序計(jì)數(shù)器（ Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。在虛擬機(jī)的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機(jī)可能會(huì)通過一些更高效的方式去實(shí)現(xiàn)），字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來完成。

由于 Java 虛擬機(jī)的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器（對(duì)于多核處理器來說是一個(gè)內(nèi)核）只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間的計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域?yàn)椤熬€程私有”的內(nèi)存。

如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè) Java 方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是 Natvie 方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空（ Undefined）。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何 OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。

Java 虛擬機(jī)棧

與程序計(jì)數(shù)器一樣， Java 虛擬機(jī)棧（ Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。

虛擬機(jī)棧描述的是 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法被執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（ Stack Frame）用于存儲(chǔ)局部變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程。

經(jīng)常有人把 Java 內(nèi)存區(qū)分為堆內(nèi)存（ Heap）和棧內(nèi)存（ Stack），這種分法比較粗糙， Java 內(nèi)存區(qū)域的劃分實(shí)際上遠(yuǎn)比這復(fù)雜。這種劃分方式的流行只能說明大多數(shù)程序員最關(guān)注的、與對(duì)象內(nèi)存分配關(guān)系最密切的內(nèi)存區(qū)域是這兩塊。其中所指的“堆”在后面會(huì)專門講述，而所指的“?！本褪乾F(xiàn)在講的虛擬機(jī)棧，或者說是虛擬機(jī)棧中的局部變量表部分。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（ boolean、 byte、 char、 short、 int、 float、long、 double）、對(duì)象引用（ reference 類型，它不等同于對(duì)象本身，根據(jù)不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，它可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔槪部赡苤赶蛞粋€(gè)代表對(duì)象的句柄或者其他與此對(duì)象相關(guān)的位置）和 returnAddress 類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。

其中 64 位長(zhǎng)度的 long 和 double 類型的數(shù)據(jù)會(huì)占用 2 個(gè)局部變量空間（Slot），其余的數(shù)據(jù)類型只占用 1 個(gè)。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小。

在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中，對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出 StackOverflowError 異常；如果虛擬機(jī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展（當(dāng)前大部分的 Java 虛擬機(jī)都可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，只不過 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中也允許固定長(zhǎng)度的虛擬機(jī)棧），當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出 OutOfMemoryError 異常。

本地方法棧

本地方法棧（ Native Method Stacks）與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行 Java 方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則是為虛擬機(jī)使用到的 Native方法服務(wù)。虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧中的方法使用的語(yǔ)言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(jī)（譬如 Sun HotSpot 虛擬機(jī)）直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會(huì)拋出StackOverflowError 和OutOfMemoryError 異常。

Java 堆

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說， Java 堆（ Java Heap）是 Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。 Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。這一點(diǎn)在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中的描述是：所有的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配，但是隨著 JIT 編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)的逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換優(yōu)化技術(shù)將會(huì)導(dǎo)致一些微妙的變化發(fā)生，所有的對(duì)象都分配在堆上也漸漸變得不是那么“絕對(duì)”了。

ava 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候也被稱做“GC 堆（ ” Garbage Collected Heap，幸好國(guó)內(nèi)沒翻譯成“垃圾堆”）。如果從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以 Java 堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代；再細(xì)致一點(diǎn)的有 Eden 空間、 From Survivor空間、 To Survivor 空間等。如果從內(nèi)存分配的角度看，線程共享的 Java 堆中可能劃分出多個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū)（ Thread Local Allocation Buffer， TLAB）。不過，無論如何劃分，都與存放內(nèi)容無關(guān)，無論哪個(gè)區(qū)域，存儲(chǔ)的都仍然是對(duì)象實(shí)例，進(jìn)一步劃分的目的是為了更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。在本章中，我們僅僅針對(duì)內(nèi)存區(qū)域的作用進(jìn)行討論， Java 堆中的上述各個(gè)區(qū)域的分配和回收等細(xì)節(jié)將會(huì)是下一章的主題。

根據(jù) Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定， Java 堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴(kuò)展的，不過當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)的（通過-Xmx 和-Xms 控制）。如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出 OutOfMemoryError 異常。

方法區(qū)

方法區(qū)（ Method Area）與 Java 堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖然 Java 虛擬機(jī)規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個(gè)邏輯部分，但是它卻有一個(gè)別名叫做 Non-Heap（非堆），目的應(yīng)該是與 Java 堆區(qū)分開來。

Java 虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)這個(gè)區(qū)域的限制非常寬松，除了和 Java 堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)存和可以選擇固定大小或者可擴(kuò)展外，還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集。相對(duì)而言，垃圾收集行為在這個(gè)區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入了方法區(qū)就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載，一般來說這個(gè)區(qū)域的回收“成績(jī)”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當(dāng)苛刻，但是這部分區(qū)域的回收確實(shí)是有必要的。

根據(jù) Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError 異常。

運(yùn)行時(shí)常量池

運(yùn)行時(shí)常量池（ Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分。 Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池（ Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。

Java 虛擬機(jī)對(duì) Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴(yán)格的規(guī)定，每一個(gè)字節(jié)用于存儲(chǔ)哪種數(shù)據(jù)都必須符合規(guī)范上的要求，這樣才會(huì)被虛擬機(jī)認(rèn)可、裝載和執(zhí)行。但對(duì)于運(yùn)行時(shí)常量池， Java 虛擬機(jī)規(guī)范沒有做任何細(xì)節(jié)的要求，不同的提供商實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)可以按照自己的需要來實(shí)現(xiàn)這個(gè)內(nèi)存區(qū)域。不過，一般來說，除了保存 Class 文件中描述的符號(hào)引用外，還會(huì)把翻譯出來的直接引用也存儲(chǔ)在運(yùn)行時(shí)常量池中。

運(yùn)行時(shí)常量池相對(duì)于 Class 文件常量池的另外一個(gè)重要特征是具備動(dòng)態(tài)性， Java 語(yǔ)言并不要求常量一定只能在編譯期產(chǎn)生，也就是并非預(yù)置入 Class 文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時(shí)常量池，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發(fā)人員利用得比較多的便是 String 類的intern()方法。

既然運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，自然會(huì)受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當(dāng)常量池?zé)o法再申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出 OutOfMemoryError 異常。

直接內(nèi)存

直接內(nèi)存（ Direct Memory）并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域，但是這部分內(nèi)存也被頻繁地使用，而且也可能導(dǎo)致 OutOfMemoryError 異常出現(xiàn)。

在 JDK 1.4 中新加入了 NIO （ New Input/Output）類，引入了一種基于通道（ Channel）與緩沖區(qū)（ Buffer）的 I/O 方式，它可以使用 Native 函數(shù)庫(kù)直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個(gè)存儲(chǔ)在 Java 堆里面的DirectByteBuffer 對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。這樣能在一些場(chǎng)景中顯著提高性能，因?yàn)楸苊饬嗽?Java 堆和 Native 堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

顯然，本機(jī)直接內(nèi)存的分配不會(huì)受到 Java 堆大小的限制，但是，既然是內(nèi)存，則肯定還是會(huì)受到本機(jī)總內(nèi)存（包括 RAM 及 SWAP 區(qū)或者分頁(yè)文件）的大小及處理器尋址空間的限制。服務(wù)器管理員配置虛擬機(jī)參數(shù)時(shí)，一般會(huì)根據(jù)實(shí)際內(nèi)存設(shè)置-Xmx 等參數(shù)信息，但經(jīng)常會(huì)忽略掉直接內(nèi)存，使得各個(gè)內(nèi)存區(qū)域的總和大于物理內(nèi)存限制（包括物理上的和操作系統(tǒng)級(jí)的限制），從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)出現(xiàn) OutOfMemoryError 異常。

看完上述內(nèi)容，你們掌握深入淺析Java中的內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出異常的方法了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀！