JVM的基礎知識點Java的內(nèi)存模型

? ? ? Java虛擬機是Java工程師必學的進階功課，這段時間開始死磕JVM。今天梳理一下JVM的基礎知識點Java的內(nèi)存模型！

程序計數(shù)器

是什么：程序計數(shù)器是很小的一塊內(nèi)存空間，它是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。

有什么用：解釋器通過這個計數(shù)器來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。
存儲什么內(nèi)容：如果線程執(zhí)行的是Java方法，存儲的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址；如果是native方法，計數(shù)器值為空（undefined）。

為什么是線程私有的：多線程是線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間片的方式來實現(xiàn)的，在任何確定的時刻，一個處理器（對于多核處理器來說就是一個內(nèi)核）都只會執(zhí)行一條線程，所以，為了線程在切換后能恢復到正確的執(zhí)行位置，每個線程應該獨立擁有一個程序計數(shù)器。

會出現(xiàn)什么異常情況：唯一一個無內(nèi)存溢出異常的區(qū)域。

Java虛擬機棧

是什么：虛擬機棧是Java方法的內(nèi)存模型，每一個Java方法從調(diào)用到執(zhí)行完成就對應著一個棧幀在虛擬機棧中的入棧和出棧。

存儲什么內(nèi)容：每個方法的執(zhí)行就會創(chuàng)建一個棧幀，這個棧幀會存儲這個Java方法的局部變量表，操作數(shù)棧，動態(tài)鏈接，方法出口等信息。

為什么是線程私有的：每個線程所執(zhí)行的方法可能是不一樣的。

會出現(xiàn)什么異常情況：如果線程請求的棧深度>虛擬機允許的深度，拋出棧溢出異常；如果擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存，拋出內(nèi)存溢出異常。

本地方法棧

是什么：本地方法棧的作用和虛擬機棧非常像是，只不過本地方法棧是native方法的內(nèi)存模型，每一個native方法從調(diào)用到執(zhí)行完成就對應著一個棧幀在本地方法棧中的入棧和出棧。

存儲什么內(nèi)容：同虛擬機棧。

為什么是線程私有的：同虛擬機棧。

會出現(xiàn)什么異常情況：同虛擬機棧。

Java堆

是什么：Java堆是Java虛擬機管理的內(nèi)存中最大的一塊，Java堆是在虛擬機啟動的時候創(chuàng)建的。

存儲什么內(nèi)容：存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這個內(nèi)存區(qū)域分配內(nèi)存。

為什么是線程共享的：所有的線程都可以訪問不同的對象。其實從內(nèi)存分配的角度來看，線程共享的Java堆可能其實是多個線程私有的分配緩沖區(qū)，不同的線程將各自的對象實例放在看似共享的Java堆的各自的緩沖區(qū)上，這樣劃分可以更好的回收內(nèi)存，也可以更好點分配內(nèi)存。

會出現(xiàn)什么異常情況：Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間上，但邏輯上一定是連續(xù)的，在堆中沒有內(nèi)存可以完成對象實例的分配，且無法再擴展時，會拋出內(nèi)存溢出異常。

方法區(qū)

是什么：和堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域。很多人把方法區(qū)稱為永久代，但是本質(zhì)上這兩個不等價，Java虛擬機將GC分代收集擴展至方法區(qū)，使用永久代來實現(xiàn)方法區(qū)，這樣GC收集器就能像管理Java堆一樣管理方法區(qū)而不需要再寫一套GC收集來管理方法區(qū)。當然在方法區(qū)里也可以設置不進行GC收集。

存儲什么內(nèi)容：已被虛擬機加載的類信息，類常量，類的靜態(tài)變量，即時編譯器編譯后的代碼等。運行時常量池也是方法區(qū)的一部分。

為什么是線程共享的：各個線程都可以訪問虛擬機加載的類。

會出現(xiàn)什么異常情況：內(nèi)存溢出異常。

直接內(nèi)存

是什么：直接內(nèi)存并不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是Java虛擬機定義的內(nèi)存區(qū)域，但也經(jīng)常被使用。JDK1.4加入了NIO類，一種基于通道與緩沖區(qū)的新I/O方式，NIO可以使用native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為直接內(nèi)存的引用來操作直接內(nèi)存，這樣可以避免在Java堆和native堆來回復制數(shù)據(jù)，從而提高了性能。

會出現(xiàn)什么異常情況：受機器總內(nèi)存的影響，會出現(xiàn)內(nèi)存溢出異常。

Java虛擬機中描述了兩種異常：

• 如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的最大深度，將拋出StackOverflowError異常；

• 如果在虛擬機中無法申請到足夠多的內(nèi)存空間，將拋出OutOfMemoryError異常。

我們都知道Java虛擬機各個內(nèi)存區(qū)域（除了程序計數(shù)器）都有發(fā)生內(nèi)存溢出的可能，但到底什么樣的操作或程序才會導致內(nèi)存溢出或棧溢出的異常呢？我們分不同的內(nèi)存區(qū)域來解釋這個問題。

0x01、對于Java堆內(nèi)存區(qū)域

Java堆中只會產(chǎn)生OutOfMemoryError異常。

先搞清楚Java堆內(nèi)存放的是什么，還不清楚的可以回顧下這篇文章《死磕JVM-Java內(nèi)存模型》，從這篇文章里我們知道Java堆內(nèi)存存放的是對象實例，所以原理上只要我們不斷創(chuàng)建對象，并且保證GC Roots到對象之間有可達路徑來避免垃圾回收機制清楚這些對象，也就是說當Eden區(qū)滿的時候，GC被觸發(fā)時，讓GC誤以為內(nèi)存中的對象還存活著，那么在對象數(shù)量達到最大堆容量限制的時候就會產(chǎn)生內(nèi)存溢出的異常。如下代碼就會產(chǎn)生內(nèi)存溢出的異常：

public?class?堆溢出{
?????static?class?OOMError{}
?????public?static?void?main(String[]?args){
??????????List?list?=new?ArrayList();
??????????while(true){
???????????????list.add(newOOMError());
??????????}
?????}}

運行結(jié)果：

Exceptionin?thread?"main"?java.lang.OutOfMemoryError:Java?heap?space
?????at?java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
?????at?java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
?????at?java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261)
?????at?java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
?????at?java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
?????at?java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
?????at?com.intelligentler.jvm.堆溢出.main(堆溢出.java:13)

“Java heap space”提示著產(chǎn)生OutOfMemoryError異常的Java虛擬機的內(nèi)存區(qū)域，也就是Java堆內(nèi)存。

如何解決發(fā)生在Java堆內(nèi)存的OutOfMemoryError異常呢？

首先我們要分清楚產(chǎn)生OutOfMemoryError異常的原因是內(nèi)存泄露還是內(nèi)存溢出，如果內(nèi)存中的對象確實都必須存活著而不像上面那樣不斷地創(chuàng)建對象實例卻不使用該對象，則是內(nèi)存溢出，而像上面代碼中的情況則是內(nèi)存泄露。

如果是內(nèi)存泄露，我們可以通過一些內(nèi)存查看工具來查看泄露對象到GC Roots的引用鏈，找到泄露對象是通過怎樣的路徑與GC Roots相關聯(lián)并導致GC無法自動回收這些泄露對象，掌握了這些信息，我們就能比較準確地定位出泄露代碼的位置。

如果不是內(nèi)存泄露，也就是說內(nèi)存中的對象確實都還必須存活，那么應該檢查虛擬機的堆參數(shù)，看看是否還可以將機器物理內(nèi)存調(diào)大，同時在代碼上檢查是否存在某些對象生命周期過長、持有狀態(tài)時間過長的情況。

0x02、對于虛擬機棧和本地方法棧

在這一部分內(nèi)存區(qū)域，可能產(chǎn)生OutOfMemoryError異常和StackOverflowError異常。

如果定義大量的本地變量，增大此方法幀中本地變量表的長度或者設置-Xss參數(shù)減少棧內(nèi)存容量，這兩種操作都會拋出StackOverflowError異常，如下面的代碼：

public?class?棧溢出{
?????privateint?stackLength?=1;
?????publicvoid?addStackLength(){
??????????stackLength++;
??????????addStackLength();
?????}

?????public?static?void?main(String[]?args)throws?Throwable{
??????????棧溢出?oom?=new?棧溢出();
??????????try{
???????????????oom.addStackLength();
??????????}catch(Throwable?e){
???????????????System.out.println("stack?length:"+?oom.stackLength);
???????????????throw?e;
??????????}
?????}
}

運行結(jié)果：

stack?length:18388Exceptionin?thread?"main"?java.lang.StackOverflowError
?????at?com.intelligentler.jvm.棧溢出.addStackLength(棧溢出.java:9)
?????at?com.intelligentler.jvm.棧溢出.addStackLength(棧溢出.java:9)
?????at?com.intelligentler.jvm.棧溢出.addStackLength(棧溢出.java:9)

所以，如果在單線程的情況下，無論是棧幀太大還是虛擬機棧容量太小，當內(nèi)存無法再分配的時候，虛擬機拋出的是StackOverflowError異常。

如果在多線程下，不斷地建立線程可能會產(chǎn)生OutOfMemoryError異常。

0x03、對于方法區(qū)

方法區(qū)中只會產(chǎn)生OutOfMemoryError異常。

由于運行時常量池是方法區(qū)的一部分，我們可以通過String.intern()方法來構(gòu)建一個運行時常量池的OutOfMemoryError異常。

String.intern()是一個Native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已經(jīng)包含了一個等于該String對象的字符串，則返回這個String對象，否則，將此String對象包含的字符串添加到常量池中，并返回這個字符串的String對象的引用。如下面代碼：

public?class?方法區(qū)溢出{

?????public?static?void?main(String[]?args){
??????????List?list?=newArrayList();
??????????int?i?=0;
??????????while(true){
???????????????list.add(String.valueOf(i++).intern());
??????????}
?????}
}

運行結(jié)果：

Exceptionin?thread?"main"?java.lang.OutOfMemoryError:PermGen?space
????at?java.lang.String.intern(NativeMethod)

PermGen space的全稱是Permanent Generation space，是指內(nèi)存的永久保存區(qū)域，也就是說運行時常量池屬于方法區(qū)（也就是虛擬機永久代）中的一部分。

另外，方法區(qū)是存放Class的相關信息的，運行時如果有大量的類來填滿方法區(qū)，就會產(chǎn)生OutOfMemoryError異常。

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