一、概述

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。它们各有用途，有些随着虚拟机进程的启动一直存在（堆、方法区），有些则随着用户线程的启动和结束而建立和销毁（程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈）。

《Java 虚拟机规范》中规定 Java 虚拟机管理的内存包括以下几个区域：

下面简要分析各个区域的特点。

二、JVM 运行时内存区域

2.1 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register），可以看做当前线程所执行的字节码的行号指示器（其实就是记录代码执行到了哪里）。特点如下：

• 线程私有；
• 占用内存空间较小；
• 若线程执行的是 Java 方法，记录的是虚拟机字节码指令地址；若执行的是本地（Native）方法，则为空（Undefined）；
• 该区域是唯一一个在《Java 虚拟机规范》中规定无任何 OutOfMemoryError 的区域。

主要作用：记录线程执行到了哪里。

2.2 Java 虚拟机栈

Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：Java 方法执行的线程内存模型。

每个方法被执行时，虚拟机栈都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每个方法从被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。其中局部变量表包括：

• Java 虚拟机基本数据类型（8 种）
• 对象引用（reference 类型，可能是一个指向对象起始地址的指针）
• returnAddress

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）表示，其中 long 和 double 占用两个槽，其他类型占用一个槽。局部变量表所需内存空间在编译期完成分配，当进入一个方法时，该方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，运行期间不会改变其大小。

虚拟机栈的特点：

• 线程私有；
• 生命周期与线程相同；
• 两类异常线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时抛出 StackOverflowError 异常；栈扩展时无法申请到足够的内存时抛出 OutOfMemoryError 异常。

主要目的：Java 方法执行的线程内存模型。

2.3 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与 Java 虚拟机栈作用类似。二者区别：

• Java 虚拟机栈为 JVM 执行 Java 方法（字节码）服务；
• 本地方法栈为 JVM 使用到的本地（Native）方法服务。

异常与 Java 虚拟机栈相同。

主要目的：Native 方法执行的线程内存模型。

2.4 Java 堆

对多数应用来说，Java 堆（Java Heap）是 JVM 管理的内存中最大的一块。

唯一目的：存放对象实例（【几乎所有】的对象实例都在这里分配内存）。

《Java 虚拟机规范》描述：所有对象实例及数组都应在堆上分配。

而从实现角度看，由于即使编译技术（尤其是逃逸分析技术的日渐强大），"栈上分配"等手段使得对象并非完全在堆上分配。

特点：

• 线程共享
• 虚拟机启动时创建

PS: "新生代"、"老年代"、"Eden 区"等一系列对堆的区域划分，只是部分垃圾收集器的一些共性或设计风格，而非虚拟机的固有内存布局，更非《Java 虚拟机规范》的划分。

将 Java 堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

2.5 方法区

方法区（Method Area）：用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据，该区域也是线程共享的。又称"非堆"。

与方法区联系密切的一个概念是"永久代"，下面简要介绍。

永久代

"永久代（Permanent Generation）"，可以理解为 JDK 1.8 之前 HotSpot 虚拟机对《Java 虚拟机规范》中"方法区"的实现。从 JDK 1.6、1.7 到 1.8+，HotSpot 虚拟机的运行时数据区变迁示意图如下：

HotSpot VM JDK 1.6 的运行时数据区示意图如下：

JDK 1.7 中，将 1.6 中永久代的字符串常量池和静态变量等移到了堆中，如下（虚线框表示已移除）：

从上面几张图可以看出永久代和元空间的主要区别有以下两点：

①. 存储位置不同

• 永久代是 JVM 内存的一部分，元空间在本地内存中（JVM 内存之外）；
• 永久代使用不当可能导致 OOM，元空间一般不会。

②. 存储内容不同：元空间存储的是「类型信息」（即类的元信息），而永久代除了类型信息，还包括「字符串常量池」和「静态变量」等（可以理解为元空间是永久代拆分出来的一部分）。

那么问题来了：为什么要把永久代替换为元空间呢？

原因大概有以下几点：

• Oracle 收购了两种 JVM：HotSpot VM 和 JRockit VM，并且想要将它们整合，但二者方法区实现差异较大；
• 字符串存在永久代中，容易出现性能问题和 OOM；
• 类及方法的信息大小较难确定，永久代大小难以确定：太小易导致永久代溢出，太大则易导致老年代溢出（JVM 内存是有限的，此消彼长）；
• 永久代会为垃圾回收带来不必要的复杂度，且回收效率较低（"性价比"低）。

2.6 运行时常量池

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、接口等描述外信息，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），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进入方法区的运行时常量池中存放。

相比于 Class 文件常量池的一个重要特性是「动态性」，运行期间也可以将新的常量放入池中（例如 String 类的 intern() 方法）。

可能产生的异常：OutOfMemoryError。

2.7 直接内存

直接内存（Direct Memory）并非虚拟机运行时数据区的一部分，也非《Java 虚拟机规范》定义的内存区域。但该部分内存被频繁使用（例如 NIO），而且可能导致 OutOfMemoryError。

三、OOM异常实践

3.0 操作系统及 JDK 版本

• 操作系统：macOS Mojave 10.14.5
• JDK 1.8

<code>$ java -versionjava version "1.8.0_191"Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_191-b12)Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.191-b12, mixed mode)/<code>

• JDK 1.7

<code>$ java -versionjava version "1.7.0_80"Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.7.0_80-b15)Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 24.80-b11, mixed mode)/<code>

3.1 Java 堆溢出

• 示例代码（JDK 1.8）

<code>public class HeapOOM {  public static void main(String[] args) {    List<object> list = new ArrayList<>();    while (true) {      list.add(new OOMObject());    }  }  static class OOMObject {  }}/<object>/<code>

VM 参数

<code># 设置堆空间大小为 20M-Xms20m -Xmx20m-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError/<code>

异常信息

<code>java.lang.OutOfMemoryError: Java heap spaceDumping heap to java_pid39807.hprof ...Heap dump file created [27773554 bytes in 0.342 secs]Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space  at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)  .../<code>

3.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

• 示例代码（JDK 1.8）

<code>public class StackOverflowError {  private int stackLength = 1;  private void stackLeak() {    stackLength++;    stackLeak();  }  public static void main(String[] args) {    JvmStackOverflow sof = new JvmStackOverflow();    try {      sof.stackLeak();    } catch (Throwable ex) {      // 注意这里是 Throwable，而非 Exception （Error 不是 Exception）      System.out.println("stack length: " + sof.stackLength);      throw ex;    }  }}/<code>

• VM 参数

由于 HotSpot 虚拟机不区分 Java 虚拟机栈和本地方法栈。因此 -Xoss 参数（设置本地方法栈大小）并没有作用，栈空间只能由 -Xss 参数。

<code># Java 虚拟机栈大小-Xss160K/<code>

• 异常信息

<code>stack length: 772Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError  at com.jaxer.example.JvmStackOverflow.stackLeak(JvmStackOverflow.java:11)  at com.jaxer.example.JvmStackOverflow.stackLeak(JvmStackOverflow.java:12)  .../<code>

3.3 方法区和运行时常量池溢出

3.3.1 字符串常量

• 示例代码

<code>public class RuntimeConstantPoolOOM {  static String baseStr = "string";  public static void main(String[] args) {    List<string> list = new ArrayList<>();    while (true) {      String s = baseStr + baseStr;      baseStr = s;      list.add(s.intern());    }  }}/<string>/<code>

JDK 1.8 参数及异常：

• VM 参数

<code># 最大堆空间为 10M，永久代为 10M （为便于观察，打印了启动命令和 GC 信息）-Xmx10m -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintCommandLineFlags/<code>

• 异常信息

<code>Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10m; support was removed in 8.0Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10m; support was removed in 8.0Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space  at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)  .../<code>

JDK 1.7 参数及异常信息：

• VM 参数

<code># 设置永久代大小为 10M-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m/<code>

• 异常信息

<code>Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space  at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2367)  .../<code>

3.3.2 类型信息

• 示例代码

<code>package com.jaxer.example.cglib;public class OOMObject {}/<code>

使用 CGLib 生成代码：

<code>public class PermGenOOM {    public static void main(String[] args) {        try {            while (true) {                Enhancer enhancer = new Enhancer();                enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);                enhancer.setUseCache(false);                enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {                    public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {                        return methodProxy.invoke(o, objects);                    }                });                enhancer.create();            }        } catch (Throwable t) {            t.printStackTrace();        }    }}/<code>

JDK 1.8 参数及异常：

• VM 参数

<code># 设置元空间大小为 10M-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m/<code>

• 异常信息

<code>java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace  at java.lang.Class.forName0(Native Method)  at java.lang.Class.forName(Class.java:348)  .../<code>

JDK 1.7 参数及异常信息：

• VM 参数

<code># 设置永久代大小为 10M-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m -XX:+PrintGCDetails/<code>

• 异常信息

<code>Exception in thread "main" Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"/<code>

此处的异常无法被捕获，Debug 模式断点如下：

可以看到，这里实际还是永久代（PermGen space）OOM 异常。

3.4 本机直接内存溢出

• 示例代码（JDK 1.8）

<code>public class DirectMemoryOOM {  private static final int _1M = 2014 * 1024;  public static void main(String[] args) {        List<bytebuffer> list = new ArrayList<>();    while (true) {      ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(_1M); // java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory//      ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(_1M); // java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space      list.add(buffer);    }  }}/<bytebuffer>/<code>

• VM 参数

<code># 设置堆内存最大为 20M，直接内存最大为 10M-Xmx20m -XX:MaxDirectMemorySize=10m/<code>

• 异常

<code>java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory/<code>

四、小结

本文主要分析了《Java 虚拟机规范》中规定的 Java 虚拟机管理的运行时内存区域，并以 HotSpot 虚拟机为例，分析了 JDK 1.7 和 1.8 内存溢出的情况。主要内容总结如下图：

PS: 一些虚拟机参数

<code># 设置堆空间大小-Xms20m -Xmx20m# 设置虚拟机栈空间大小-Xss160K# 设置永久代大小-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m# 设置元空间大小-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m# 打印 GC 日志-XX:+PrintGCDetails# 打印命令行参数-XX:+PrintCommandLineFlags# 堆栈信息-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError/<code>

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