JAVA内存区域与内存溢出异常
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1,运行时数据区域
根据JAVA虚拟机规范的规定:JAVA虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域
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程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器,通过改变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。每条线程都需要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,也是唯一不会出现OutOfMemoryError情况的区域。
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JAVA虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有,它的生命周期与线程相同,用来描述JAVA方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧,用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等。每一个方法从被调用到执行完成的过程,也就一个栈帧在虚拟机栈从入栈到出栈的过程。
??? 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。如果虚拟机可以动态扩展,当扩展到无法申请到足够的内存时,会抛出OutOfMemoryError异常。
本地方法栈(Native Method Stacks)与上述的虚拟机栈非常类似,只是虚拟机栈为执行JAVA方法服务,而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。
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?JAVA堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理内存中最大的一块,被所有线程共享,在虚拟机启动时创建,此内存区域的唯一目的就是为了存放对象实例。JAVA堆是垃圾回收器管理的主要区域。如果堆中没有足够的内存完成实例分配,并且堆无法扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。
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方法区(Method Area)方法区也被称为“持久代”,此内存区域与堆一样,也是线程共享的。它用于存储已被虚拟机加载的类(java.lang.Class)信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。垃圾回收行为在这个区域是比较少见的,并且可以选择不回收。
当此区域无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。
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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,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。当常量池无法再分配到内存时,也会抛出OutOfMemoryError异常。
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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,但是这部分内存也频繁被使用,并且也可能抛出OutOfMemoryError异常。如NIO可以使用Native函数库直接分配堆外内存。
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2,对象访问
介绍完JAVA运行时数据区域后,再看看JAVA对象访问是如何进行的。
即使是最简单的访问,也会涉及JAVA栈、JAVA堆、方法区三个最重要的内存区域,如下代码
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指针:如果使用指针访问方式,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中直接存储的就是对象地址
这两种方式各有优势,使用句柄访问最大的好处就是reference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。使用指针的好处就是速度快,节省一次指针定位的时间开销。Sun HotSpot虚拟机使用第二种方式进行对象访问。
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3,实战:OutOfMemoryError异常
?在JAVA虚拟机规范描述中:除了程序计数器外,其它几个内存区域都有发生OutOfMemoryError异常的可能,本节通过若干实例来验证异常发生的场景。
注意:每个示例代码的开头都会注明虚拟机启动参数的设置,具体设置方法如下图:
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3.1:JAVA堆溢出:
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-Xms表示堆内存的最小值,-Xmx表示堆内存的最大值。
上例通过不断生成新对象,导致内存溢出。
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3.2虚拟机栈和本地方法栈溢出
如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度,将抛出StackOverflowError异常
如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间,则抛出OutOfMemoryError异常
一般在单线程程序情况下无法产生OutOfMemoryError异常
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下面这个示例,尝试使用多线程方式得到OutOfMemeoryError的结果, -Xss参数是用于设置每个线程的堆栈大小。
?3.3运行时常量池溢出(也是方法区的一部分)
3.4方法区溢出:
方法区用于存放Class的相关信息,如类名,访问修饰符,常量池,字段描述,方法描述等。对于这个区域的测试,大概思路是运行时产生大量的类去填满方法区,直到溢出,本例使用CGLib直接操作字节码,生成大量动态类
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