第二章、Java内存区域与内存溢出异常

2.1 概述

      对于Java程序员来说，虚拟机具有自动内存管理机制，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。也正是因为Java程序员把内存控制的机制交给了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，那排查错误将会是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。根据《Java虚拟机规范（第2版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包含以下几个运行时数据区域：方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

2.2.1 程序计数器

      程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前进程所执行的字节码的行号指示器。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。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每个线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，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Native方法，这个计数器值则为空。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 虚拟机栈

      Java虚拟机栈是线程私有的，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：每个方法在被执行的时候都会同时创建一个栈枕（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

      经常有人把Java内存区划分为堆内存与占内存，这里的栈指的是虚拟机栈或者是虚拟机栈中的局部变量表部分。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，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型。

      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，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.3 本地方法栈

      本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是十分相似的，其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，而本地方法栈则是为虚拟机用到的Native方法服务。有的虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。异常也是上述两种。

2.2.4 Java堆

      对于大多数应用来说，Java堆是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是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

      Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被成为GC堆（Garbage Collected Heap）。由于现在收集器基本采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为新生代和老年代。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。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的回收内存或者更快地分配内存。

2.2.5 方法区

      方法区与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。

      Java虚拟机规范对这个区域的管理非常宽松，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。这个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。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，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存放到方法区的运行时常量池。

      Java虚拟机对Class文件的每一部分（当然也包括常量池）的格式都有严格的规定。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能在编译期产生，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用的最多的是String类的intern（）方法。

      既然运行时常量池是方法区的一部分，自然也会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。

2.3 对象访问

      主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。

      使用句柄：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和类型数据各自的具体地址信息。

      使用直接指针访问方式：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，reference中存储的就是对象地址。

      这两种对象的访问方式各有优势，使用句柄方式的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。使用直接指针访问方式的最大好处是速度更快。