JVM简介及Java内存区域与内存溢出异常

一、JVM简介

1.1 JVM概念

(1) 虚拟机简介：指通过软件模拟的具有完整硬件功能的、运行在一个安全隔离的环境中的完整计算机系统。常见的虚拟机有JVM、VMwave、Virtual Box
(2) JVM和其他两个虚拟机的区别：VMwave与Virtual Box是通过软件模拟物理CPU的指令集，物理系统中会有很多的寄存器。而JVM则是通过软件模拟Java字节码的指令集，JVM中只是主要保留了PC寄存器，其他的寄存器都进行了剪裁，JVM是一台被定制过的现实当中不存在的计算机。
Java的跨平台的特性正是由于JVM才得以实现，一个.java文件通过Java编译器编译形成字节码文件(.class文件)，这种.class文件可以运行在JVM上，而JVM可以被安装到不同的平台，这就带来了Java的跨平台特性。

1.2 Java和JVM的发展简史

(1) 20世纪Java的发展：
1996年 SUN JDK1.0发布：Classic VM 纯解释运行，使用外挂进行JIT(编译器)
1997年 JDK1.1 发布：AWT、内部类、JDBC、RMI、反射(Java的核心)
RMI:远程方法调用(Remote Method Invocation)。能够让在某个java虚拟机上的对象像调用本地对象一样调用另一个java 虚拟机中的对象上的方法。
1998年JDK 1.2发布：Solary Exact VM(仅存在了很短的时间)
JIT和解释器混合执行Accurate Memory Management 精确内存管理，数据类型敏感提升GC性能
JDK1.2开始成为Java2(J2SE,J2EE,J2ME出现),并且加入了Swing Collection。
(2) 二零零几年
2000年 JDK 1.3：HotSpot作为默认虚拟机发布
2002年 JDK 1.4：Classic VM退出历史舞台
JDK 1.4 更新内容：Assert，正则表达式，NIO，IPV6，日志API，加密类库，异常链，XML解析器等。
2004年 JDK 1.5 即Java5发布（很重要的一个版本）
Java5更新内容：泛型，注解，装箱，枚举，可变长参数，Foreach循环。
虚拟机层面：改进了Java内存模型(JMM)，提供了JUC并发包。
2006年 JDK1.6 Java6发布：
更新内容：脚本编程的支持(动态语言支持)，jdbc4.0，Java编译器API，微型Http服务器API等。
虚拟机层面：锁与同步，垃圾收集，类加载等算法的改动。
(3) 二零一几年
2011年JDK1.7/Java7发布：G1收集器(Update4才正式发布) 加强对非Java语言的调用支持升级类加载器架构64位系统压缩指针NIO2.0
2014年Java8发布：Lamda表达式语法增强Java类型注释等
4).Java与JVM发展历史中的大事件
使用最广泛的JVM为HotSpot HotSpot最早为Longview Technologies开发，被SUN收购
2006年，Java开源，并建立OpenJDK HotSpot成为SUN JDK和OpenJDK中所带的虚拟机
2008年，Oracle收购BEA 得到JRockit VM
2010年Oracle收购SUN 得到HotSpot
Orcale宣布在JDK8时整合HotSpot和JRockit VM，优势互补在HotSpot的基础上移植JRockit的优秀特性

二、Java内存区域与内存溢出异常

2.1 运行时数据区域

JVM会在执行Java程序的过程中把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些数据区域各有各的用处，各有各的创建与销毁时间，有的区域随着JVM进程的启动而存在，有的区域则依赖用户线程的启动和结束而创建与销毁。一般来说，JVM所管理的内存将会包含以下几个运行时数据区域：
线程私有区域:程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈
线程共享区域:Java堆、方法区、运行时常量池

什么是线程私有？
由于JVM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，因此在任何一个确定的时刻，一个处理器(多核处理器则指的是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因此为了切换线程后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。我们就把类似这类区域称之为”线程私有”的内存。

2.1.1 程序计数器（线程私有）

程序计数器是一块比较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
如果当前的线程执行的是Java方法，程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址（代码行数），如果执行的是本地Native方法，计数器值为空
程序计数器是唯一一个在JVM规范中没有OOM（OutOfMemoryError，内存溢出）出现的区域

2.1.2 Java虚拟机栈（线程私有）

描述 Java 方法执行的内存模型：每个方法都会在虚拟机栈中创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、方法出口等信息，每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈的过程。声明周期与线程相同。

局部变量表: 存放了编译器可知的各种基本数据类型(8大基本数据类型)、对象引用。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，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在执行期间
不会改变局部变量表大小。
方法的回收不是垃圾回收！！
此区域一共产生两种异常：
如果当前线程请求的栈深度 > 虚拟机栈深度（-Xss，设置栈大小），抛出 StackOverflow异常
如果虚拟机栈在动态扩展时，无法申请到足够大的内存，抛出OOM(OutOfMemoryError)异常

2.1.3 本地方法栈（线程私有）

服务的是本地方法 (native 方法)，其余与虚拟机栈相同
HotSpot 中将本地方法栈与虚拟机栈合二为一

2.1.4 Java堆（GC堆，线程共享，垃圾回收的主要区域）

Java堆在JVM启动时创建，存放的都是对象实例，JVM要求所有对象实例以及数组都在Java堆上存放
Java堆可以处于物理上不连续的区域，Java堆一般来说都是可扩展的（-Xms：设置堆最小值，-Xmx：设置堆最大值）
如果堆中没有足够内存来完成对象实例化并且无法再扩展。抛出OOM。

2.1.5 方法区（线程共享，JDK1.8以前称之为永久代，以后称之为元空间）

存储已被JVM加载的类信息、常量、静态变量
此区域也会进行垃圾回收，主要是针对常量池的回收以及类型卸载
方法区无法满足内存分配需求时，抛出OOM

2.1.6 运行时常量池（线程共享，方法区一部分）

存放字面量以及符号引用
字面量：字符串、final常量、基本数据类型的值
符号引用：类和结构的完全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符

2.2 Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例，只要不断的创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免来避免GC清除
这些对象，那么在对象数量达到最大堆容量后就会产生内存溢出异常。

范例：观察堆溢出

/**
* JVM参数为:-Xmx20m -Xms20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
*/

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

堆的OOM分为两种情况：内存泄漏、内存溢出
内存泄漏：泄漏对象无法被垃圾回收
内存溢出：该对象确实还应该存活，应该对比物理内存查看当前Jav堆是否还应扩容或者缩短对象存活时间

2.3 虚拟机栈和本地方法栈溢出

由于我们HotSpot虚拟机将虚拟机栈与本地方法栈合二为一，因此对于HotSpot来说，栈容量只需要由-Xss参数来
设置。
关于虚拟机栈会产生的两种异常:

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，会抛出StackOverFlow异常
如果虚拟机在拓展栈时无法申请到足够的内存空间，则会抛出OOM异常

范例:观察StackOverFlow异常(单线程环境下)

/**
* JVM参数为:-Xss128k
*
*/
public class Test {
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }
    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        try {
            test.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("Stack Length: "+test.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

出现StackOverﬂowError异常时有错误堆栈可以阅读，比较好找到问题所在。如果使用虚拟机默认参数，栈深度在多数情况下达到1000-2000完全没问题，对于正常的方法调用（包括递归），完全够用。
如果是因为多线程导致的内存溢出问题，在不能减少线程数的情况下，只能减少最大堆和减少栈容量的方式来换取更多线程。

范例：观察多线程下的栈内存溢出问题

/**
* JVM参数为:-Xss2M
*
*/
public class Test {
    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) {
        Test test = new Test();
        test.stackLeakByThread();
    }
}

运行以上代码需谨慎操作，记得提前保存好手头的工作！！！