简单了解 JVM 内存模型

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JVM 的内存区域主要分为如图所示的几个区域。

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1. 程序计数器（线程私有）

程序计数器的作用是存储当前线程执行的字节码指令的地址。并且在多线程环境下，每个线程都有一个独立的程序计数器。同时，此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何 OOM 情况的区域。

2. Java虚拟机栈（线程私有）

栈主要用于存储局部变量、部分结果以及返回地址等，其中局部变量如果是对象，则存储的是对应的地址。另外，栈又分为栈帧，每个方法都会生成一个栈帧，方法执行结束后，对应的栈帧被弹出。

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：如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的 Java 虚拟机都可动态扩展，只不过 Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

以下是代码通过递归调用导致 StackOverflowError:

public class JVMStackSOF {

    public static int stackLength = 1;

    /**
     * VM 参数：-Xss128k
     * 在单个线程下，无论是由于栈顿太大还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。
     * 如果测试时不限于单线程，通过不断地建立线程的方式倒到是可以产生内存溢出异常
     */
    public static void main(String[] args) {
        JVMStackSOF jvmStackSOF = new JVMStackSOF();
        try {
            jvmStackSOF.stackLeak();
        }catch (Throwable e){
            System.out.println("栈深度：" + JVMStackSOF.stackLength);
            throw e;
        }
    }

    public void stackLeak(){
        stackLength++;
        stackLeak();
    }
}

以下代码理论上可以导致 JVM 虚拟机栈 OOM，但是似乎没有实现。

public class JVMStackOOM {

    /**
     * VM 参数：-Xss2M
     */
    public static void main(String[] args) {
        JVMStackOOM jvmStackOOM = new JVMStackOOM();
        jvmStackOOM.stackLeakByThread();
    }

    public void stackLeakByThread(){
        while (true){
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();
        }
    }

    private void dontStop(){
        while (true){}
    }
}

3. 本地方法栈（线程私有）

与 Java 虚拟机栈类似，但为本地（Native）方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

4. Java堆（线程共享）

Java 堆是 JVM 管理的最大的一块内存区域，并且堆是线程共享的。它用于存储对象的实例，包括应用程序的对象和数组。

几乎所有的对象实例都在这里分配内存，在 Java 虚拟机规范中的指述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析折术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

堆内存也是最容易发生 OOM 的区域，所以在 JVM 调优中需要最注意堆内存大小的调整。

以下是一个简单实现 OOM 报错的代码：

public class HeapOOM {

    public static class OOMObject{

    }

    /**
     * VM 参数：-verbose:gc -Xms5M -Xmx5M -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {

        List<OOMObject> heapOOMList = new ArrayList<>();
        while (true){
            heapOOMList.add(new OOMObject());
        }
    }
}

5. 元空间（线程共享）

在 JDK1.7 之前，HotSpot 虚拟机把方法区当成永久代（方法区的落地实现）来进行垃圾回收。而从 JDK 1.8 开始，移除永久代，并把方法区移至元空间，它位于本地内存中，而不是虚拟机内存中。

元空间和永久代不同的地方在于：

• 存储位置不同：永久代在物理上是堆的一部分，和新生代、老年代的地址是连续的，而元空间属于本地内存。

• 存储内容不同：在原来的永久代划分中，永久代用来存放类的元数据信息、静态变量以及常量池等。现在类的元信息存储在元空间中，静态变量和常量池等并入堆中，相当于原来的永久代中的数据，被元空间和堆内存给瓜分了。

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（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。

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有编译期才能产生，也就是并非预置人 Class 文件中常量池的内容才能进人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利用得比较多的便是 String 类的 internO 方法。

6. 直接内存

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。但是这部分内存也被频紧地使用，而且也可能导致 OOM 异常出现。

在 JDK1.4 中新加人了 NIO（New Input/Output）类，引人了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的 I/O 方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

直接内存 OOM 的案例代码如下：

public class DirectMemoryOOM {

    // 定义一个常量，表示1兆字节的大小
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    /**
     * VM 参数: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     * 由DirectMemory导致的内存溢出，一个明显的特征是在HeapDump文件中不会看见明显的异常，
     * 如果发现OOM之后Dump文件很小，而程序中又直接或间接使用了NIO，那就可以考虑检查一下是不是这方面的原因。
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 通过反射获取Unsafe类的实例
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        // 设置访问权限，允许访问私有字段
        unsafeField.setAccessible(true);
        // 获取Unsafe类的实例
        Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);

        // 无限循环，不断分配内存，导致直接内存溢出
        while (true) {
            // 使用Unsafe类的allocateMemory方法分配1兆字节的直接内存
            unsafe.allocateMemory(_1MB);
        }
    }
}

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