深入理解JVM运行时数据区（内存布局 ）5大部分 | 异常讨论

前言：

        JVM运行时数据区（内存布局）是Java程序执行时用于存储各种数据的内存区域。这些区域在JVM启动时被创建，并在JVM关闭时销毁。它们的布局和管理方式对Java程序的性能和稳定性有着重要影响。  

一、由以下5大部分组成

1.Heap 堆区（线程共享）

概念：

堆是JVM中最大的一块内存区域，用于存储所有的对象实例和数组。它是线程共享的。

 特点：

堆中的内存空间是垃圾收集器（Garbage Collector）管理的主要区域。JVM通过垃圾收集机制回收不再使用的对象，以防止内存泄漏。

结构：

       堆通常分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。年轻代又细分为Eden区和两个Survivor区（S0和S1）。新创建的对象首先分配到年轻代。

        垃圾回收的时候会将Endn中存活的对象放到⼀个未使⽤的Survivor中，并把当前的Endn和正在使用的Survivor中的对象清除掉。

        经过几次垃圾收集后仍存活的对象将被移到老年代。 

2.程序计数器（线程私有）

什么是线程私有？

每个线程都有自己的程序计数器。

概念：

       在JVM中，线程的执行是通过线程轮流切换（也称为上下文切换）来实现的。在这种机制下，每个线程都得到一小段时间片来执行它的指令。当时间片用完或者发生其他中断时，处理器会切换到另一个线程继续执行。由于处理器在任何一个时刻只能执行一条线程的指令，所以在进行线程切换时，必须用独立的程序计数器保存当前线程的执行状态，以便在切换回来时能够从正确的位置继续执行。

       程序计数器是一个很小的内存区域，专门用于记录当前线程正在执行的指令地址。也就是说，程序计数器保存了当前线程下一条将要执行的字节码指令的地址。

     对于本地方法来说，程序计数器则为空。

特点：不会抛出OOM

    由于它的内存需求极小，并且仅用于存储指令地址，因此JVM规范中没有规定它会抛出“OutOfMemoryError”异常，这使得它成为JVM中唯一 一个不会因为内存不足而导致异常的区域。

3.Java虚拟机栈（线程私有）

概念：

        Java虚拟机栈的⽣命周期和线程相同，其为每个线程创建的私有内存区域。每个线程在执行方法时，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。常说的堆内存、栈内存中，栈内存指的就是虚拟机栈。

作用：

1.局部变量表  ：保存了方法参数和局部变量，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。

2.操作数栈： 用于操作数的计算和方法调用

3.动态链接： 保存了方法调用中的引用（指向运⾏时常量池的方法引用）。

4.方法返回地址：PC寄存器的地址。

异常：

       如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，将抛出StackOverflowError异常。如果虚拟机在栈扩展时无法分配足够的内存，也会抛出OutOfMemoryError异常。

4.本地方法栈（线程私有）

概念：

       本地方法栈中存储了本地方法的调用信息。本地方法栈与虚拟机栈类似，区别在于它为本地方法（Native Methods）服务。本地方法栈也是线程私有的。

     本地方法是指那些使用非Java语言编写的、并通过Java调用的函数或方法。在Java中，本地方法通常使用C或C++编写，并通过本地库接口来进行调用。

简单了解JVM执行Java程序的基本流程 | 一次编译，到处运行-CSDN博客 

该博客介绍了什么是本地方法库。

5.元数据区（线程共享） ( Java8前叫方法区 )

作用：

       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。在方法区中，保存了类的结构信息，例如字段、方法的字节码、常量池等。JVM在加载类时，会在方法区中为其分配空间，存储类的相关信息。它是线程共享的，也就是说，所有线程都可以访问方法区中的数据。

演变：

       在《Java虚拟机规范中》把此区域称之为“⽅法区”，而在HotSpot虚拟机的实现中，在JDK7时此 区域叫做永久代（PermGen），JDK8中叫做元空间（Metaspace）。

元空间的改进：

1. 使用本地内存：与永久代不同，元空间使用的是本地内存（即操作系统管理的内存），而不是 JVM 堆内存。这意味着元空间的大小不再受 JVM 堆内存的限制，而是可以根据实际需要动态增长（只要系统内存允许）。

2. 自动调整：元空间的内存分配可以根据应用程序的需要动态调整，减少了内存溢出问题的发生。JVM 提供了 -XX:MaxMetaspaceSize 参数来限制元空间的最大大小，但如果不设置，该空间可以根据需求自动增长。

3. 更高效的内存管理：元空间的实现使得 JVM 的内存管理更加高效，因为它减少了永久代中的一些垃圾回收开销，并且更好地适应了应用程序的内存需求。

运行时常量池：

运行时常量池是方法区的⼀部分，存放字面量与符号引用。

字面量: 字符串(JDK8移动到堆中)、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。

6.小结-思维导图： 

二、内存布局中的异常问题

1.堆内存溢出

堆：放对象的地方。

可以设置JVM参数-Xms:设置堆的最⼩值、-Xmx:设置堆最⼤值。

在对象数量达到最大堆容量后就会产生内存溢出异常。

出现Java堆内存溢出时，

异常堆栈信息"java.lang.OutOfMemoryError"会进⼀步提⽰"Java heap space"。很明确的告知我们，OOM发生在堆上。

此时要对Dump出来的⽂件进行分析，分析问题的产⽣到底是出现了内存泄漏

• 内存泄漏：表示对象不再被程序使用，但由于某些错误引用，无法被 GC 回收。这会逐渐耗尽内存，最终导致 OutOfMemoryError。泄漏对象是不必要的、意外存在的。
• 内存溢出：表示应用程序的确需要那么多内存来存活当前的对象。如果内存不足以满足需求，就会出现 OutOfMemoryError。此时这些对象是必要的，只是 JVM 堆内存不够。

 2.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。

两种异常:

抛出StackOverFlow异常: 线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度（例如，递归调用过深）。

抛出OOM异常：虚拟机在拓展栈时无法申请到⾜够的内存空间（例如内存紧张、大量线程的场景）。

如何应对

应对 StackOverflowError：

- 检查递归调用的逻辑，确保递归有合理的终止条件。

- 调整程序结构，减少不必要的深层次方法调用。

- 如果必须使用深度递归，考虑通过 JVM 参数 -Xss 增加单个线程的栈大小（但这可能会增加 OOM 的风险）。

- 应对 OutOfMemoryError：

- 降低应用程序的内存使用，尤其是减少不必要的线程创建。

- 增加系统的物理内存，或通过 JVM 参数增加最大堆内存。

- 通过优化代码，减少栈的频繁扩展需求，例如减少对象创建或方法调用的频率。