JVM运行数据区深度解析
运行数据区
字节码只是一个二进制文件存放在那里。要想在jvm里跑起来，先得有个运行的内存环境。
也就是我们所说的jvm运行时数据区。
1）运行时数据区的位置
运行时数据区是jvm中最为重要的部分，执行引擎频繁操作的就是它。类的初始化，以及后面我们讲的对象空间的分配、垃圾的回收都是在这块区域发生的。
2）区域划分
根据《Java虚拟机规范》中的规定，在运行时数据区将内存细分为几个部分
线程私有的：Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）、程序计数器（Program Counter Register）、本地方法栈（Native Method Stacks）
大家共享的：方法区（Method Area）、Java堆区（Java Heap）
接下来我们分块详细来解读，每一块是做什么的，如果溢出了会发生什么事情
1.1 程序计数器
1.1.1 概述
程序计数器（Program Counter Register）
每个线程一个。是一块较小的内存空间，它表示当前线程执行的字节码指令的地址。
字节码解释器工作时，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，所以整个程序无论是分支、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。
由于线程是多条并行执行的，互相之间执行到哪条指令是不一样的，所以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，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
如果是native方法，这里为空
1.1.2 溢出异常
没有！
在虚拟机规范中，没有对这块区域设定内存溢出规范，也是唯一一个不会溢出的区域
1.1.3 案例
因为它不会溢出，所以我们没有办法给它造一个，但是从class类上可以找到痕迹。
回顾上面javap的反汇编，其中code所对应的编号就可以理解为计数器中所记录的执行编号。
1.2 虚拟机栈
1.2.1 概述
- 也是线程私有的！生命周期与线程相同。
- 它描述的是Java方法执行的当前线程的内存模型，每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
1.2.2 溢出异常
1）栈深度超出设定
如果是创建的栈的深度大于虚拟机允许的深度，抛出
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
2）内存申请不足
如果栈允许内存扩展，但是内存申请不够的时候，抛出 OutOfMemoryError
注意！这一点和具体的虚拟机有关，hotspot虚拟机并不支持栈空间扩展，所以单线程环境下，一个线程创建时，分配给它固定大小的一个栈，在这个固定栈空间上不会出现再去扩容申请内存的情况，也就不会遇到申请不到一说，只会因为深度问题超出固定空间造成上面的StackOverflowError
如果换成多线程，毫无节制的创建线程，还是有可能造成OutOfMemoryError。但是这个和Xss栈空间大小无关。是因为线程个数太多，栈的个数太多，导致系统分配给jvm进程的物理内存被吃光。
这时候虚拟机会附带相关的提示：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create native thread
ps: 每个线程默认分配1M空间（64位linux，hotspot环境）
疑问：是不是改小Xss的值就可以得到栈空间溢出呢？
答：根据上面的分析，hotspot下不可以，还是会抛出StackOverflowError，无非深度更小了。
1.2.3 案例一：进出栈顺序
1）代码
package com.itheima.jvm.demo;
/**
* 程序模拟进栈、出栈过程
* 先进后出
*/
public class StackInAndOut {
/**
* 定义方法一
*/
public static void A() {
System.out.println("进入方法A");
}
/**
* 定义方法二;调用方法一
*/
public static void B() {
A();
System.out.println("进入方法B");
}
public static void main(String[] args) {
B();
System.out.println("进入Main方法");
}
}
2）运行结果：
进入方法A
进入方法B
进入Main方法
3）栈结构：
main方法---->B方法---->A方法 
1.2.4 案例二：栈深度溢出
1）代码
这个容易实现，方法嵌套自己就可以：
package com.itheima.jvm.demo;
/**
* 通过一个程序模拟线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的栈深度；
* 抛出StackOverflowError
*/
public class StackOverFlow {
/**
* 定义方法，循环嵌套自己
*/
public static void B() {
B();
System.out.println("进入方法B");
}
public static void main(String[] args) {
B();
System.out.println("进入Main方法");
}
}
2）运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
3）栈结构：
1.2.5 案例三：栈内存溢出
一直不停的创建线程就可以堆满栈
但是！这个很危险，到32系统的winxp上勇敢的小伙伴可以试一试，机器卡死不负责！
package com.itheima.jvm.demo;
/*
* 栈内存溢出，注意！很危险，谨慎执行
* 执行时可能会卡死系统。直到内存耗尽
* */
public class StackOutOfMem {
public static void main(String[] args) {
while (true) {
new Thread(() -> {
while(true);
}).start();
}
}
}
1.3 本地方法栈
1.3.1 概述
本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈，均具有线程隔离的特点
不同的是，本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法，而虚拟机栈服务的是JVM执行的java方法
虚拟机规范里对这块所用的语言、数据结构、没有强制规定，虚拟机可以自由实现它
甚至，hotspot把它和虚拟机栈合并成了1个
1.3.2 溢出异常
和虚拟机栈一样，也是两个：
如果是创建的栈的深度大于虚拟机允许的深度，抛出 StackOverFlowError
内存申请不够的时候，抛出 OutOfMemoryError
1.4 堆
1.4.1 概述
与上面的3个不同，堆是所有线程共享的！所谓的线程安全不安全也是出自这里。
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。
需要注意的是，《Java虚拟机规范》并没有对堆进行细致的划分，所以对于堆的讲解要基于具体的虚拟机，我们以使用最多的HotSpot虚拟机为例。
Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此它也被称作“GC堆”，这就是我们做JVM调优的重点区域部分。
1.4.2 jdk1.7
jvm的内存模型在1.7和1.8有较大的区别，虽然1.7目前使用的较少了，但是我们也是需要对1.7的内存模型有所了解，所以接下里，我们将先学习1.7再学习1.8的内存模型。
Young 年轻区（代）
Young区被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区
其中，Survivor区间中，某一时刻只有其中一个是被使用的，另外一个留做垃圾收集时复制对象用
在Eden区间变满的时候， GC就会将存活的对象移到空闲的Survivor区间中，根据JVM的策略，在经过几次垃圾收集后，任然存活于Survivor的对象将被移动到下面的Tenured区间。
Tenured 年老区
Tenured区主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象，当一些对象在Young复制转移一定的次数以后，对象就会被转移到Tenured区，一般如果系统中用了application级别的缓存，缓存中的对象往往会被转移到这一区间。
Perm 永久区
hotspot 1.6 才有这货，现在已经成为历史
Perm代主要保存class,method,filed对象，这部份的空间一般不会溢出，除非一次性加载了很多的类，不过在涉及到热部署的应用服务器的时候，有时候会遇到java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的错误，造成这个错误的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，类的class没有被卸载掉，这样就造成了大量的class对象保存在了perm中，这种情况下，一般重新启动应用服务器可以解决问题。另外一种可能是创建了大批量的jsp文件，造成类信息超出perm的上限而溢出。这种重启也解决不了。只能调大空间。
Virtual区：
jvm参数可以设置一个范围，最大内存和初始内存的差值，就是Virtual区。
1.4.3 jdk1.8
由上图可以看出，jdk1.8的内存模型是由2部分组成，年轻代 + 年老代。永久代被干掉，换成了Metaspace（元数据空间）
年轻代：Eden + 2*Survivor （不变）
年老代：OldGen （不变）
元空间：原来的perm区 （重点！）
需要特别说明的是：Metaspace所占用的内存空间不是在虚拟机内部，而是在本地内存空间中，这也是与1.7的永久代最大的区别所在。
1.4.4 溢出异常
内存不足时，抛出
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
1.4.5 案例：堆溢出
1）代码
分配大量对象，超出jvm规定的堆范围即可
package com.itheima.jvm.demo;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* 堆溢出
* -Xms20m -Xmx20m
*/
public class HeapOOM {
Byte[] bytes = new Byte[1024*1024];
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList();
int i = 0;
while (true) {
System.out.println(++i);
list.add(new HeapOOM());
}
}
}
2）启动
注意启动时，指定一下堆的大小：
2）输出
1
2
3
4
5
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at com.itheima.jvm.demo.HeapOOM.<init>(HeapOOM.java:7)
at com.itheima.jvm.demo.HeapOOM.main(HeapOOM.java:13)
1.5 方法区
1.5.1 概述
同样，线程共享的。
它主要用来存储类的信息、类里定义的常量、静态变量、编译器编译后的代码缓存。
注意！方法区在虚拟机规范里这是一个逻辑概念，它具体放在那个区域里没有严格的规定。
所以，hotspot 1.7 将它放在了堆的永久代里，1.8+单独开辟了一块叫metaspace来存放一部分内容（不是全部！定义的类对象在堆里）
具体方法区主要存什么东西呢？粗略的分，可以划分为两类：
类信息：主要指类相关的版本、字段、方法、接口描述、引用等
运行时常量池：编译阶段生成的常量与符号引用、运行时加入的动态变量
（常量池里的类变量，如对象或字符串，比较特殊，1.6和1.8位置不同，下面会讲到）
小提示：
这里经常会跟上面堆里的永久代混为一谈，实际上这是两码事
永久代是hotspot在1.7及之前才有的设计，1.8+，以及其他虚拟机并不存在这个东西。
可以说，永久代是1.7的hotspot偷懒的结果，他在堆里划分了一块来实现方法区的功能，叫永久代。因为这样可以借助堆的垃圾回收来管理方法区的内存，而不用单独为方法区再去编写内存管理程序。懒惰！
同时代的其他虚拟机，如J9，Jrockit等，没有这个概念。后来hotspot认识到，永久代来做这件事不是一个好主意。1.7已经从永久代拿走了一部分数据，直到1.8+彻底去掉了永久代，方法区大部分被移到了metaspace（再强调一下，不是全部！）
结论：
方法区是一定存在的，这是虚拟机规定的，但是是个逻辑概念，在哪里虚拟机自己去决定
而永久代不一定存在（hotspot 1.7 才有），已成为历史
1.5.2 溢出异常
1.6：OutOfMemoryError: PermGen space
1.8：OutOfMemoryError: Metaspace
1.5.3 案例：1.6方法区溢出
1）原理
在1.6里，字符串常量是运行时常量池的一部分，也就是归属于方法区，放在了永久代里。
所以1.6环境下，让方法区溢出，只需要可劲造往字符串常量池中造字符串即可，这里用到一个方法：
/*
如果字符串常量池里有这个字符串，直接返回引用，不再额外添加
如果没有，加进去，返回新创建的引用
*/
String.intern()
2）代码
/**
* 方法区溢出，注意限制一下永久代的大小
* 编译的时候注意pom里的版本，要设置1.6，否则启动会有问题
* jdk1.6 : -XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
*/
public class ConstantOOM {
public static void main(String[] args) {
ConstantOOM oom = new ConstantOOM();
Set<String> stringSet = new HashSet();
int i = 0;
while (true) {
System.out.println(++i);
stringSet.add(String.valueOf(i).intern());
}
}
}
3）创建启动环境
4）异常信息：
...
19118
19119
19120
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.String.intern(Native Method)
at com.itheima.jvm.demo.ConstantOOM.main(ConstantOOM.java:19)
1.5.4 案例：1.8方法区溢出
1）到了1.8，情况发生了变化
可以测试一下，1.8下无论指定下面的哪个参数，常量池运行都不会溢出，会一直打印下去
-XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
-XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M
2）配置运行环境
3）控制台信息
不会抛出异常，只要你jvm堆内存够，理论上可以一直打下去
4）为什么呢？
永久代我们加了限制，结果没意义，因为1.8里已经没有这货了
元空间也加了限制，同样没意义，那说明字符串常量池它不在元空间里！
那么，它在哪里呢？
jdk1.8以后，字符串常量池被移到了堆空间，和其他对象一样，接受堆的控制。
其他的运行时的类信息、基本数据类型等在元空间。
我们可以验证一下，对上面的运行时参数再加一个堆上限限制：
-Xms10m
-Xmx10m
运行环境如下：
运行没多久，你会得到以下异常:
……
84014
84015
84016
84017
84018
84019
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded
at java.lang.Integer.toString(Integer.java:403)
at java.lang.String.valueOf(String.java:3099)
at com.itheima.jvm.demo.ConstantOOM.main(ConstantOOM.java:18)
说明：1.8里，字符串inter()被放在了堆里，受最大堆空间的限制。
5）那如何才能让元空间溢出呢？
既然字符串常量池不在这里，那就换其他的。类的基本信息总在元空间吧？我们来试一下
cglib是一个apache下的字节码库，它可以在运行时生成大量的对象，我们while循环同时限制metaspace试试：
附：https://gitee.com/mirrors/cglib （想深入了解这个工具的猛击左边，这里不做过多讨论）
package com.itheima.jvm.demo;
import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;
import java.lang.reflect.Method;
/**
* jdk8方法区溢出
* -XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M
*/
public class ConstantOOM8 {
public static void main(final String[] args) {
while (true) {
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(OOM.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
@Override
public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
return methodProxy.invokeSuper(objects,args);
}
});
enhancer.create();
}
}
static class OOM{
}
}
6）运行设置
7）运行结果
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)
结论：
jdk8引入元空间来存储方法区后，内存溢出的风险比历史版本小多了，但是在类超出控制的时候，依然会打爆方法区
1.6 一个案例
为便于大家理解和记忆，下面我们用一个案例，把上面各个区串通起来。
假设有个Bootstrap的类，执行main方法。在jvm里，它从class文件到跑起来，大致经过如下步骤：
- 首先JVM会先将这个Bootstrap.class 信息加载到内存中的方法区
- 接着，主线程开辟一块内存空间，准备好程序计数器pc，虚拟机栈、本地方法栈
- 然后，JVM会在Heap堆上为Bootstrap.class 创建一个Bootstrap.class 的类实例
- JVM开始执行main方法，这时在虚拟机栈里为main方法创建一个栈帧
- main方法在执行的过程之中，调用了greeting方法，则JVM会为greeting方法再创建一个栈帧，推到虚拟机栈顶，在main的上面，每次只有一个栈帧处于活动状态，当前为greeting
- 当greeting方法运行完成后，则greeting方法出栈，当前活动帧指向main，方法继续往下运行
1.7 归纳总结
1）独享/共享的角度：
- 独享：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
- 共享：堆、方法区
2）error的角度：
- 程序计数器：不会溢出，比较特殊，其他都会
- 两个栈：可能会发生两种溢出，一是深度超了，报StackOverflowError，空间不足：OutOfMemoryError
- 堆：只会在空间不足时，报OutOfMemoryError，会提示heapSpace
- 方法区：空间不足时，报OutOfMemoryError，提示不同，1.6是permspace，1.8是元空间，和它在什么地方有关
3）归属：
- 计数器、虚拟机栈、本地方法栈：线程创建必须申请配套，真正的物理空间
- 堆：真正的物理空间，但是内部结构的划分有变动，1.6有永久代，1.8被干掉
- 方法区：最没归属感的一块，原因就是它是一个逻辑概念。1.6被放在了堆的永久代，1.8被拆分，一部分在元空间，一部分（方法区的运行时常量池里面的类对象，包括字符串常量，被设计放在了堆里）
- 直接内存：这块实际上不属于运行时数据区的一部分，而是直接操作物理内存。在nio操作里DirectByteBuffer类可以对native操作，避免流在堆内外的拷贝。我们下一步的调优不会涉及到它，了解即可。
本文由
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