Java内存区域

1、概述
2、运行时数据区域

1、概述

对于java程序员来说，在虚拟机内存的自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个对象去写匹配的 delete/ free 代码，不容易出现内存泄漏或内存溢出的问题。
正是因为把内存控制权交给了java虚拟机，一旦出现了内存泄漏或者是溢出的问题，排查错误会变得困难。

2、运行时数据区域

Java内存区域 - 图1

2.1 程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，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、异常处理、线程恢复等基础功能都是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，分配处理器执行时间的方式来实现的。所以为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每个线程都需要一个独立的程序计数器。(“线程私有内存”)。
如果线程线程执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是一个Native方法简单地讲，一个Native Method就是一个java调用非java代码的接口，这个计数器为空(undefined)。

2.2 Java虚拟机栈

Java虚拟机栈也是线程私有的，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，方法出口等信息。每一个方法被调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。https://blog.csdn.net/zc375039901/article/details/79179465
局部变量表：存放了编译期可知的各种基本类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference 类型)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)
局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间完全确定的，在方法执行期间不会改变局部变量表的大小。
在Java虚拟机规范中，对这个区域定了两种异常情况：

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。eg:无限递归
虚拟机栈进行动态的扩展时，如果无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError eg:创建 > GC回收。

//模拟StackOverflowError
public class Demo1 {
    private int index = 1;
    public void method() {
        index++;
        method();
    }
    @Test
    public void testStackOverflowError() {
        try {
            method();
        } catch (StackOverflowError e) {
            System.out.println("程序所需要的栈大小 > 允许最大的栈大小，执行深度: " + index);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
//模拟OutOfMemoryError
public class Demo2 {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList list = new ArrayList();
        while (true) {
            list.add(new Heap());
        }
    }、
}

2.3 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机所发挥的作用是非常相似的，区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈为虚拟机使用到的native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中使用的语言、方式并没有强制规定。因此虚拟机可以自有的实现它。

2.4 Java堆

对于大多数应用来说，java堆是java虚拟机所管理的内存中最大的一块。java堆是所有线程共享的一块区域，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
java堆是垃圾收集管理器管理的主要区域，也被称为GC堆（Garbage Collected heap）。

堆内存划分JDK1.7及以前

**JDK1.8 Java内存区域 - 图3
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。

2.5 方法区

方法区存放类的信息（包括类的字节码，类的结构）、常量、静态变量等。字符串常量池就是在方法区中。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做
Non-Heap（非堆），目的是与Java堆区分开来。很多人都更愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation）。从jdk1.7已经开始准备“去永久代”的规划，jdk1.7的HotSpot中，已经把原本放在方法区中的静态变量、字符串常量池等移到堆内存中。

ps：永久代和元空间

永久代
　绝大部分 Java 程序员应该都见过 “java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space “这个异常。这里的“PermGen space”其实指的就是方法区。不过方法区和“PermGen space”又有着本质的区别。前者是 JVM 的规范，而后者则是 JVM 规范的一种实现，并且只有 HotSpot 才有 “PermGen space”，而对于其他类型的虚拟机，如 JRockit（Oracle）、J9（IBM）并没有“PermGen space”。由于方法区主要存储类的相关信息，所以对于动态生成类的情况比较容易出现永久代的内存溢出。最典型的场景就是，在 jsp 页面比较多的情况，容易出现永久代内存溢出。通过动态生成类来模拟 “PermGen space”的内存溢出

package com.paddx.test.memory;
public class Test {
}
import java.io.File;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class PermGenOomMock{
    public static void main(String[] args) {
        URL url = null;
        List<ClassLoader> classLoaderList = new ArrayList<ClassLoader>();
        try {
            url = new File("/tmp").toURI().toURL();
            URL[] urls = {url};
            while (true){
                ClassLoader loader = new URLClassLoader(urls);
                classLoaderList.add(loader);
                loader.loadClass("com.paddx.test.memory.Test");
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

Java内存区域 - 图4
例中使用的 JDK 版本是 1.7，指定的 PermGen 区的大小为 8M。通过每次生成不同URLClassLoader对象来加载Test类，从而生成不同的类对象，这样就能看到我们熟悉的 “java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space “ 异常了。
元空间
在JDK1.8中，永久代已经不存在，存储的类信息、编译后的代码数据等已经移动到了MetaSpace（元空间）中，元空间并没有处于堆内存上，而是直接占用的本地内存（NativeMemory）。
元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。
不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。
元空间的大小仅受本地内存限制，可以通过以下参数来指定元空间大小：

-XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值
-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的
-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为释放空间所导致的垃圾收集

2.6 直接内存
直接内存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，但是这部分也被频繁的使用，也可能导致outofMemoryError。
NIO：引入一种基于通道和缓冲区的io方式，可以使用native函数直接分配堆外内存，然后通过一个存储在java堆里面的DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用来操作。避免了在java堆和native堆来回复制数据。
直接内存的分配不会受到java堆大小的限制，但是会受到本机总内存大小及处理器寻址空间的限制。在设置虚拟机参数的时候，一般会根据实际内存设置 -Xmx等参数。但会经常忽略掉直接内存，是的各内存区域的总和大于物理内存限制。

2.7 对象访问
Object obj = new Object( );
假设这句代码出现在方法体中，” Object obj “ 这部分语义将会反应到java栈的本地变量表中，作为一个reference类型数据出现。而new Object( )这部分语义将会反应到java堆中。形成一块结构化内存。另外，在java堆中还必须包含能查到此对象类型数据( 如对象类型、父类、实现的接口、方法等 )
的地址信息，这些数据则存储在方法区中。
2.7.1 对象的访问定位
使用对象时，通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。
通过句柄访问