Java記憶體區域與記憶體溢位異常

Java和C++之間有一堵由記憶體動態分配和垃圾手機技術所圍成的高牆，牆外面的人想進去，牆裡面的人卻想出來。

概述

對於從事C和C++程式開發的開發人員來說，在記憶體管理領域，他們即是擁有最高權力的皇帝，又是從事最基礎工作的勞動人民——既有用每一個物件的“所有權”，又擔負著每個物件生命開始到終結的維護責任。

對Java程式設計師來說，在虛擬機器的自動記憶體管理機制的幫助下，不再需要為每一個new操作去寫配對的delete/free程式碼，而且不容易出現記憶體洩漏和記憶體溢位問題，看起來由虛擬機器管理記憶體一切都很美好。不過，也正是因為Java程式設計師把記憶體控制的權利交給了Java虛擬機器，一旦出現記憶體洩漏和溢位方面的問題，如果不瞭解迅即是怎樣使用記憶體的，那排查錯誤將會稱為一項異常艱難的工作。

執行時資料區域

Java虛擬機器在執行Java程式的過程中會把它所管理的記憶體劃分成為若干個不同的資料區域。根據《Java虛擬機器規範（第2版）》的規定，Java虛擬機器所管理的記憶體將會包括以下幾個執行時資料區域。

程式計數器

程式計數器（Program Counter Register）是一塊較小的記憶體空間，它的作用可以看做是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器。在虛擬機器的概念模型裡，位元組碼直譯器工作時就是通過改變這個計數器的值來選區下一條需要執行的位元組碼指令，分支、迴圈、跳轉、異常處理、執行緒恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。

由於Java虛擬機器的多執行緒是通過執行緒輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來說是一個核心）只會執行一條執行緒中的指令。因此，為了執行緒切換後能恢復到正確的執行位置，每條執行緒都需要有一個獨立的程式計數器，各條執行緒之間的計數器互不影響，獨立儲存，我們稱這類記憶體區域為“執行緒私有

如果執行緒正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機器位元組碼指令的地址；如果正在執行的是Natvie方法，這個計數器則為空（Undefined）。此記憶體區域是唯一一個在Java虛擬機器規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

Java虛擬機器棧

與程式計數器一樣，Java虛擬機器棧（Java Virtual Machine Stacks）也是執行緒私有的，它的生命週期與執行緒相同。虛擬機器棧描述的是Java方法執行的記憶體模型：每個方法被執行的時候都會同時建立一個棧幀（Stack Frame）（棧幀是方法執行期的基礎資料結構）用於儲存區域性變量表、操作棧、動態連結、方法出口等資訊。每一個方法被呼叫直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機器棧中從入棧到出棧的過程。

區域性變量表存放了編譯期可知的各種基本資料型別（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、物件引用（reference型別，它不等同於物件本身，根據不同的虛擬機器實現，它可能是一個指向物件起始地址的引用指標，也可能指向一個代表物件的控制代碼或者其他的與此物件相關的位置）和returnAddress型別（指向了一條位元組碼指令的地址）。其中64位長度的long和double型別的資料會佔用2個區域性變數空間（Slot），其餘的資料型別只佔用1個。

區域性變量表所需的記憶體空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的區域性變數空間是完全確定的，在方法執行期間不會改變區域性變量表的大小。

在Java虛擬機器規範中，對這個區域規定了兩種異常狀況：

1. 如果執行緒請求的棧深度大於虛擬機器所允許的深度，將丟擲StackOverflowError異常；
2. 如果虛擬機器棧可以動態擴充套件（當前大部分的Java虛擬機器都可動態擴充套件，只不過Java虛擬機器規範中允許固定長度的虛擬機器棧），當擴充套件時無法申請到足夠的記憶體時會丟擲OutOfMemoryError異常。

本地方法棧

本地方法棧（Natvive Method Stacks）與虛擬機器棧所發揮的作用是非常相似的，其區別不過是虛擬機器棧為虛擬機器執行Java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機器使用到的Native方法服務。

Java堆

對於大多數應用來說，Java堆（Java Heap）是Java虛擬機器所管理的記憶體中最大的一塊。Java堆是被所有執行緒共享的一塊記憶體區域，在虛擬機器啟動時建立。此記憶體區域的唯一目的就是存放物件例項，幾乎所有物件例項都在這裡分配記憶體。這一點在Java虛擬機器規範中的描述是：所有的物件例項以及陣列都要在堆上分配，但是隨著JIT編譯器的發展與逃逸分析技術的逐漸成熟，棧上分配、標量替換優化技術將會導致一些微妙的變化發生，所有的物件都分配在堆上也漸漸變得不是那麼“絕對”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱為“GC堆”（Garbage Collected Heap）。如果從記憶體回收的角度看，由於現在收集器基本都是採用的分代收集演算法，所以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代；如果從記憶體分配的角度看，執行緒共享的Java堆中可能劃分出多個執行緒私有的分配緩衝區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不過，無論如何劃分，都與存放內容無關，無論那個區域，儲存的都仍然是物件例項，進一步劃分的目的是為了更好地回收記憶體，或者更快的分配記憶體。

根據Java虛擬機器規範的規定，Java堆可以處於物理上不連續地記憶體空間中，只要邏輯上是連續地的即可，就像我們的磁碟空間一樣。

方法區

方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個執行緒共享的記憶體區域，它用於儲存已被虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料。雖然Java虛擬機器規範把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。

Java虛擬機器規範對這個區域的限制非常寬鬆，除了和Java堆一樣不需要連續的記憶體和可以選擇固定大小或者可擴充套件外，還可以選擇不實現垃圾收集。這個區域的記憶體回收目標主要是針對常量池的回收和對型別的解除安裝，一般來說這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是型別的解除安裝，條件相當苛刻，但是這部分割槽域的回收確實是有必要的。

根據Java虛擬機器規範的規定，當方法區無法滿足記憶體分配需求時，將丟擲OutOfMemoryError異常。

執行時常量池

執行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述等資訊外，還有一項資訊是常量池（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類載入後存放到方法區的執行時常量池中。

一般來說，除了儲存Class檔案中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也儲存在執行時常量池中。

執行時常量池相對於Class檔案常量池的另外一個重要特徵時具備動態性，Java語言並不要求常量一定只能在編譯器產生，也就是並非預置入Class檔案中常量池的內容才能進入方法區執行時常量池，執行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用的比較多的便是String類的intern()方法。

當常量池無法在申請到記憶體時會丟擲OutOfMemoryError異常。

直接記憶體

直接記憶體（Direct Memory）並不是虛擬機器執行時資料區的一部分，也不是虛擬機器規範中定義的記憶體區域，但是這部分記憶體也被頻繁地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。

在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Oupt）類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝區（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函式庫直接分配堆外記憶體，然後通過一個儲存在Java堆裡面的DirectByteBuffer物件作為這塊記憶體的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高效能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回複製資料。

顯然，本地直接記憶體的分配不會受到Java堆大小的限制，但是，既然是記憶體，則肯定還是會受到本機總記憶體（包括RAM及SWAP區或者分頁檔案）的大小及處理器定址空間的限制。伺服器管理員配置虛擬機器引數時，一般會根據實際記憶體設定-Xmx等引數資訊，但經常會忽略掉直接記憶體，使得各個記憶體區域的總和大於實體記憶體限制（包括物理上的和作業系統級的限制），從而導致動態擴充套件時出現OutOfMemoryError異常。

物件訪問

在Java語言中，物件訪問是如何進行的？

物件訪問在Java語言中無處不在，是最普遍的程式行為，但即使是最簡單的訪問，也會卻涉及Java棧、Java堆、方法區這三個最重要記憶體區域之間的關聯關係，如下面的這句程式碼：

Object obj = new Object();l

假設這句程式碼出現在方法體中，那”Object obj“這部分的語義將會反映到Java棧的本地變量表中，作為一個reference型別資料出現。而”new Object()“這部分的語義將會反映到Java堆中，形成一塊儲存了Object型別所有例項資料值（Instance Date，物件中各個例項欄位的資料）的結構化記憶體，根據具體型別以及虛擬機器實現的物件記憶體佈局（Object Memory Layout）的不同，這塊記憶體的長度是不固定的。另外，在Java堆中還必須包含能夠找到此物件型別資料（如物件型別、父類、實現的介面、方法等）的地址資訊，這些型別資料則儲存在方法區中。

由於reference型別在Java虛擬機器規範裡面只規定了一個指向物件的引用，並沒有定義這個引用應該通過那種方式去定位，以及訪問到Java堆中的物件的具體位置，因此不同虛擬機器實現的物件訪問方式會有所不同，主流的訪問方式有兩種：使用控制代碼和直接指標。

• 如果使用控制代碼訪問方式，Java堆中將會劃分出一塊記憶體來作為控制代碼池，reference中儲存的就是物件的控制代碼地址，而控制代碼中包含了物件例項資料和型別資料各自的具體地址資訊，如圖所示

• 如果使用直接指標訪問方式，Java堆物件的佈局中就必須考慮如何放置訪問型別資料的相關資訊，reference中直接儲存的就是物件地址，如圖所示

使用控制代碼訪問方式的最大好處就是reference中儲存的是穩定的控制代碼地址，在物件被移動（垃圾收集時移動物件是非常普遍的行為）時只會改變控制代碼中的例項資料指標，而reference本身不需要被修改。

使用直接指標訪問方式的最大好處就是速度更快，它節省了一次指標定位的時間開銷，由於物件的訪問在Java中非常頻繁，因此這類開銷積少成多也是一些非常可觀的執行成本。