Java内存区域与内存溢出异常

Java 虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存化分为若干个不同的数据区域。

Java 虚拟机运行时数据区

程序计数器（Program Counter Register）为一块较小的内存空间，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，它是程序控制流的指示器，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算器来完成。

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方式实现的。因此，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。称这类内存区域为“线程私有”的内存。

Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）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方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java 虚拟机都会同步创建一个栈帧 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。

每个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译器可知的数据类型：

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。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个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，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

Java 虚拟机规范中，对Java 虚拟机栈内存区域规定了2类异常：

注：HotSpot 虚拟机不支持栈的动态扩展，所以除非在创建线程申请内存时就因无法获得足够内存而出现OutOfMemoryError异常。

HotSpot 虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此对于HotSpot，-Xoss参数（设置本地方法栈大小）虽然存在，但实际上没有任何效果，栈容量只能由-Xss参数设定。

本地方法栈Native Method Stacks 与虚拟机栈所发挥的作用是相似的，区别在于虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地方法服务。

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，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆既可以被实现成固定大小，也可以是可扩展的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法在扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区Method Area与Java堆一样，也是各个线程共享的内存区域，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。

永久代：JDK8之前，常把方法区称为“永久代”，本质上这两者并不是等价的，仅仅是当时的HotSpot虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。这样HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理的代码。

JDK8中废弃了永久代的概念，改用在本地内存中实现的元空间Metaspace来代替。

方法区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。如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池可以保存Class文件中描述的符号引用外，还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。另一个特性是，相对于Class文件常量池具备动态性。

运行期间也可以将新的常量池放入池中，这种特性被开发人员利用较多的是String类的intern()方法。

运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

在JDK 1.4中新加入了NIO（NewInput/Output）类，引入了一种基于通道（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堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。