1. 概述
Java 虛擬機在執行 Java 程序的過程中會把它管理的內存劃分爲若干個不同的數據區域。它們各有用途，有些隨着虛擬機進程的啓動一直存在（堆、方法區），有些則隨着用戶線程的啓動和結束而建立和銷燬（程序計數器、虛擬機棧、本地方法棧）。
《Java 虛擬機規範》中規定 Java 虛擬機管理的內存包括以下幾個區域：
下面簡要分析各個區域的特點。
2. JVM 運行時內存區域
2.1 程序計數器
程序計數器（Program Counter Register），可以看做當前線程所執行的字節碼的行號指示器（其實就是記錄代碼執行到了哪裏）。特點如下：
線程私有；
佔用內存空間較小；
若線程執行的是 Java 方法，記錄的是虛擬機字節碼指令地址；若執行的是本地（Native）方法，則爲空（Undefined）；
該區域是唯一一個在《Java 虛擬機規範》中規定無任何 OutOfMemoryError 的區域。
主要作用：記錄線程執行到了哪裏。
2.2 Java 虛擬機棧
Java 虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）：Java 方法執行的線程內存模型。
每個方法被執行時，虛擬機棧都會創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作數棧、動態連接、方法出口等信息。每個方法從被調用直至執行完畢的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。其中局部變量表包括：
Java 虛擬機基本數據類型（8 種）
對象引用（reference 類型，可能是一個指向對象起始地址的指針）
returnAddress
這些數據類型在局部變量表中的存儲空間以局部變量槽（Slot）表示，其中 long 和 double 佔用兩個槽，其他類型佔用一個槽。局部變量表所需內存空間在編譯期完成分配，當進入一個方法時，該方法需要在棧幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，運行期間不會改變其大小。
虛擬機棧的特點：
線程私有；
生命週期與線程相同；
兩類異常
線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度時拋出 StackOverflowError 異常；
棧擴展時無法申請到足夠的內存時拋出 OutOfMemoryError 異常。
主要目的：Java 方法執行的線程內存模型。
2.3 本地方法棧
本地方法棧（Native Method Stacks）與 Java 虛擬機棧作用類似。二者區別：
Java 虛擬機棧爲 JVM 執行 Java 方法（字節碼）服務；
本地方法棧爲 JVM 使用到的本地（Native）方法服務。
異常與 Java 虛擬機棧相同。
主要目的：Native 方法執行的線程內存模型。
2.4 Java 堆
對多數應用來說，Java 堆（Java Heap）是 JVM 管理的內存中最大的一塊。
唯一目的：存放對象實例（【幾乎所有】的對象實例都在這裏分配內存）。
《Java 虛擬機規範》描述：所有對象實例及數組都應在堆上分配。
而從實現角度看，由於即使編譯技術（尤其是逃逸分析技術的日漸強大），"棧上分配"等手段使得對象並非完全在堆上分配。
特點：
線程共享
虛擬機啓動時創建
PS: "新生代"、"老年代"、"Eden 區"等一系列對堆的區域劃分，只是部分垃圾收集器的一些共性或設計風格，而非虛擬機的固有內存佈局，更非《Java 虛擬機規範》的劃分。
將 Java 堆細分的目的只是爲了更好地回收內存，或者更快地分配內存。
2.5 方法區
方法區（Method Area）：用於存儲已被虛擬機加載的類型信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼緩存等數據，該區域也是線程共享的。又稱"非堆"。
與方法區聯繫密切的一個概念是"永久代"，下面簡要介紹。
永久代
"永久代（Permanent Generation）"，可以理解爲 JDK 1.8 之前 HotSpot 虛擬機對《Java 虛擬機規範》中"方法區"的實現。從 JDK 1.6、1.7 到 1.8+，HotSpot 虛擬機的運行時數據區變遷示意圖如下：
HotSpot VM JDK 1.6 的運行時數據區示意圖如下：
JDK 1.7 中，將 1.6 中永久代的字符串常量池和靜態變量等移到了堆中，如下（虛線框表示已移除）：
而到了 JDK 1.8，則完全廢棄了"永久代"，改用了在本地內存中實現的"元空間（Metaspace）"，將 JDK 1.7 中永久代剩餘的部分（主要是類型信息）移到了元空間，如下（虛線框表示已移除）：
從上面幾張圖可以看出永久代和元空間的主要區別有以下兩點：
存儲位置不同
永久代是 JVM 內存的一部分，元空間在本地內存中（JVM 內存之外）；
永久代使用不當可能導致 OOM，元空間一般不會。
存儲內容不同：元空間存儲的是「類型信息」（即類的元信息），而永久代除了類型信息，還包括「字符串常量池」和「靜態變量」等（可以理解爲元空間是永久代拆分出來的一部分）。
那麼問題來了：爲什麼要把永久代替換爲元空間呢？
原因大概有以下幾點：
Oracle 收購了兩種 JVM：HotSpot VM 和 JRockit VM，並且想要將它們整合，但二者方法區實現差異較大；
字符串存在永久代中，容易出現性能問題和 OOM；
類及方法的信息大小較難確定，永久代大小難以確定：太小易導致永久代溢出，太大則易導致老年代溢出（JVM 內存是有限的，此消彼長）；
永久代會爲垃圾回收帶來不必要的複雜度，且回收效率較低（"性價比"低）。
2.6 運行時常量池
運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。
Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述外信息，還有一項信息是常量池表（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。
相比於 Class 文件常量池的一個重要特性是「動態性」，運行期間也可以將新的常量放入池中（例如 String 類的 intern() 方法）。
可能產生的異常：OutOfMemoryError。
2.7 直接內存
直接內存（Direct Memory）並非虛擬機運行時數據區的一部分，也非《Java 虛擬機規範》定義的內存區域。但該部分內存被頻繁使用（例如 NIO），而且可能導致 OutOfMemoryError。
3. OOM異常實踐
3.0 操作系統及 JDK 版本
操作系統：macOS Mojave 10.14.5
JDK 1.8
$ java -version
java version "1.8.0_191"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_191-b12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.191-b12, mixed mode)
JDK 1.7
$ java -version
java version "1.7.0_80"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.7.0_80-b15)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 24.80-b11, mixed mode)
3.1 Java 堆溢出
示例代碼（JDK 1.8）
public class HeapOOM {
public static void main(String[] args) {
List<Object> list = new ArrayList<>();
while (true) {
list.add(new OOMObject());
}
}
static class OOMObject {
}
}
VM 參數
# 設置堆空間大小爲 20M
-Xms20m -Xmx20m
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
異常信息
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid39807.hprof ...
Heap dump file created [27773554 bytes in 0.342 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
...
3.2 虛擬機棧和本地方法棧溢出
示例代碼（JDK 1.8）
public class StackOverflowError {
private int stackLength = 1;
private void stackLeak() {
stackLength++;
stackLeak();
}
public static void main(String[] args) {
JvmStackOverflow sof = new JvmStackOverflow();
try {
sof.stackLeak();
} catch (Throwable ex) {
// 注意這裏是 Throwable，而非 Exception （Error 不是 Exception）
System.out.println("stack length: " + sof.stackLength);
throw ex;
}
}
}
VM 參數
由於 HotSpot 虛擬機不區分 Java 虛擬機棧和本地方法棧。因此 -Xoss 參數（設置本地方法棧大小）並沒有作用，棧空間只能由 -Xss 參數。
# Java 虛擬機棧大小
-Xss160K
異常信息
stack length: 772
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at com.jaxer.example.JvmStackOverflow.stackLeak(JvmStackOverflow.java:11)
at com.jaxer.example.JvmStackOverflow.stackLeak(JvmStackOverflow.java:12)
...
3.3 方法區和運行時常量池溢出
3.3.1 字符串常量
示例代碼
public class RuntimeConstantPoolOOM {
static String baseStr = "string";
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<>();
while (true) {
String s = baseStr + baseStr;
baseStr = s;
list.add(s.intern());
}
}
}
JDK 1.8 參數及異常：
VM 參數
# 最大堆空間爲 10M，永久代爲 10M （爲便於觀察，打印了啓動命令和 GC 信息）
-Xmx10m -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m
-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintCommandLineFlags
異常信息
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10m; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10m; support was removed in 8.0
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)
...
JDK 1.7 參數及異常信息：
VM 參數
# 設置永久代大小爲 10M
-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m
異常信息
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2367)
...
參考鏈接：https://www.cnblogs.com/paddix/p/5309550.html
3.3.2 類型信息
示例代碼
package com.jaxer.example.cglib;
public class OOMObject {
}
使用 CGLib 生成代碼：
public class PermGenOOM {
public static void main(String[] args) {
try {
while (true) {
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
return methodProxy.invoke(o, objects);
}
});
enhancer.create();
}
} catch (Throwable t) {
t.printStackTrace();
}
}
}
JDK 1.8 參數及異常：
VM 參數
# 設置元空間大小爲 10M
-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
異常信息
java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
at java.lang.Class.forName0(Native Method)
at java.lang.Class.forName(Class.java:348)
...
JDK 1.7 參數及異常信息：
VM 參數
# 設置永久代大小爲 10M
-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m -XX:+PrintGCDetails
異常信息
Exception in thread "main"
Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"
此處的異常無法被捕獲，Debug 模式斷點如下：
可以看到，這裏實際還是永久代（PermGen space）OOM 異常。
3.4 本機直接內存溢出
示例代碼（JDK 1.8）
public class DirectMemoryOOM {
private static final int _1M = 2014 * 1024;
public static void main(String[] args) {
List<ByteBuffer> list = new ArrayList<>();
while (true) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(_1M); // java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
// ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(_1M); // java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
list.add(buffer);
}
}
}
VM 參數
# 設置堆內存最大爲 20M，直接內存最大爲 10M
-Xmx20m -XX:MaxDirectMemorySize=10m
異常
java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
4. 小結
本文主要分析了《Java 虛擬機規範》中規定的 Java 虛擬機管理的運行時內存區域，並以 HotSpot 虛擬機爲例，分析了 JDK 1.7 和 1.8 內存溢出的情況。主要內容總結如下圖：
PS: 一些虛擬機參數
# 設置堆空間大小
-Xms20m -Xmx20m
# 設置虛擬機棧空間大小
-Xss160K
# 設置永久代大小
-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m
# 設置元空間大小
-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
# 打印 GC 日誌
-XX:+PrintGCDetails
# 打印命令行參數
-XX:+PrintCommandLineFlags
# 堆棧信息
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
