Java虚拟机运行时数据区域

本文摘录自《JAVA虚拟机》一书。

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，分别为方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈以及程序计数器。

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选 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都需 要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的， 在任何一个确定的时刻，一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。

与程序计数器一样，Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的同时 都会创建一个栈帧(Stack frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

局部变量表存放了各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、 float、long、double)、对象引用(reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)和 returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(Slot)，其余的数据类型只占用1个。

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。

本地方法栈(Native Method Stack)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的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。

Java堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区(Method Area)与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。

当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError异常。

设置虚拟机参数：-Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=9

限制Java堆的大小为20MB，不可扩展(将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为一样即可避免堆自动扩展)。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class HeapOOM {
    static class OOMObject{

    }
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        while (true){
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

1.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。
2.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。
这里把异常分成两种情况,却存在着一些互相重叠的地方:当栈空间无法继续分配时，到底是内存太小，还是已使用的栈空间太大，其本质上只是对同一件事情的两种描述而已。

使用-Xss参数减少栈内存容量。 

public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak(){
        stackLength++;
        stackLeak();
    }
    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try {
            oom.stackLeak();
        } catch (Throwable e){
            System.out.println("stack length:"+oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

实验结果表明:在单个线程下，无论是由于栈帧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。

public class JavaVMStackOOM {
    private void dontStop(){
        while (true){}
    }
    public void stackLeakByThread(){
        while (true){
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}