JVM存在的目的和意义是什么？为什么要学习JVM？

    JVM是Java Virtual Machine的缩写，是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

    引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

本文着重分析JVM中运行时内存区域与内存溢出异常

 

运行时数据区域

 

程序计数器

    程序计数器是一块较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。（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，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要以这个计数器来完成）。

    java虚拟机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的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。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单独的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，线程私有。

如果线程正在执行的是一个java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器则为空。此内存区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

 

JAVA虚拟机栈

与程序计数器一样，java虚拟机栈也是有线程的，它的生命周期与线程相同。

虚拟机栈描述的是java方法执行的内存模型：

每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放的类型有：

1、编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个；

2、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是要给指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）；

3、returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

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，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

 

虚拟机栈中会出现的异常

1、*Error异常（栈溢出错误）：

    如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出*Error异常；

 

2、OutOfMemoryError异常(内存溢出)：

    如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的虚拟机都可以动态扩展，只不过java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），但扩展时无法申请到足够的内存时会抛出该异常。

导致OutOfMemoryError异常的常见原因有以下几种：

1内存中加载的数据量过于庞大，如一次从数据库取出过多数据；

2集合类中有对对象的引用，使用完后未清空，使得JVM不能回收；、

3代码中存在死循环或循环产生过多重复的对象实体；

5使用的第三方软件中的BUG；

6启动参数内存值设定的过小；

此错误常见的错误提示：

1.tomcat:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

2.tomcat:java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

3.weblogic:Root cause of ServletException java.lang.OutOfMemoryError

4.resin:java.lang.OutOfMemoryError

5.java:java.lang.OutOfMemoryError

解决java.lang.OutOfMemoryError的方法有如下几种：

一、增加jvm的内存大小。

方法有：

1）在执行某个class文件时候，可以使用java -Xmx256M aa.class来设置运行aa.class时jvm所允许占用的最大内存为256M。

2）对tomcat容器，可以在启动时对jvm设置内存限度。对tomcat，可以在catalina.bat中添加：

set CATALINA_OPTS=-Xms128M -Xmx256M set JAVA_OPTS=-Xms128M -Xmx256M

或者把%CATALINA_OPTS%和%JAVA_OPTS%代替为-Xms128M -Xmx256M

3）对resin容器，同样可以在启动时对jvm设置内存限度。在bin文件夹下创建一个startup.bat文件，内容如下：

@echo off call "httpd.exe"  "-Xms128M" "-Xmx256M" :end

其中"-Xms128M"为最小内存，"-Xmx256M"为最大内存。

 

二、 优化程序，释放垃圾。

    主要包括避免死循环，应该及时释放资源：内存, 数据库的各种连接，防止一次载入太多的数据。导致java.lang.OutOfMemoryError的根本原因是程序不健壮。因此，从根本上解决Java内存溢出的唯一方法就是修改程序，及时地释放没用的对象，释放内存空间。遇到该错误的时候要仔细检查程序，嘿嘿，遇多一次这种问题之后，以后写程序就会小心多了。

java代码导致OutOfMemoryError错误的解决：

需要重点排查以下几点：

a、检查代码中是否有死循环或递归调用。

b、检查是否有大循环重复产生新对象实体。

c、检查对数据库查询中，是否有一次获得全部数据的查询。一般来说，如果一次取十万条记录到内存，就可能引起内存溢出。这个问题比较隐蔽，在上线前，数据库中数据较少，不容易出问题，上线后，数据库中数据多了，一次查询就有可能引起内存溢出。因此对于数据库查询尽量采用分页的方式查询。

d、检查List、MAP等集合对象是否有使用完后，未清除的问题。List、MAP等集合对象会始终存有对对象的引用，使得这些对象不能被GC回收。

 

tomcat中java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space异常处理

PermGen space的全称是Permanent Generation space,是指内存的永久保存区域,这块内存主要是被JVM存放Class和Meta信息的,Class在被Loader时就会被放到PermGen space中, 它和存放类实例(Instance)的Heap区域不同,GC(Garbage Collection)不会在主程序运行期对PermGen space进行清理，所以如果你的应用中有很多CLASS的话,就很可能出现PermGen space错误, 这种错误常见在web服务器对JSP进行pre compile的时候。如果你的WEB APP下都用了大量的第三方jar, 其大小超过了jvm默认的大小(4M)那么就会产生此错误信息了。

解决方法：手动设置MaxPermSize大小修改TOMCAT_HOME/bin/catalina.sh在

echo "Using CATALINA_BASE:   $CATALINA_BASE"

上面加入以下行：

JAVA_OPTS="-server -XX:PermSize=64M -XX:MaxPermSize=128m

建议：将相同的第三方jar文件移置到tomcat/shared/lib目录下，这样可以达到减少jar 文档重复占用内存的目的。

 

weblogic中java.lang.OutOfMemoryError异常处理

错误提示： Root cause of ervletException java.lang.OutOfMemoryError 

解决办法：调整bea/weblogic/common中CommEnv中参数

:sun if "%PRODUCTION_MODE%" == "true" goto sun_prod_mode 　

set JAVA_VM=-client 　　

set MEM_ARGS=-Xms256m -Xmx512m -XX:MaxPermSize=256m 　

set JAVA_OPTIONS=%JAVA_OPTIONS% -Xverify:none goto continue:sun_prod_mode 　　

set JAVA_VM=-server set MEM_ARGS=-Xms256m -Xmx512m -XX:MaxPermSize=256m 　　goto continue

 

Resin下java.lang.OutOfMemoryError异常处理

产生内存溢出的原因：

出现这个错误，一般是因为JVM物理内存过小。默认的Java虚拟机最大内存仅为64兆，这在开发调试过程中可能没有问题，但在实际的应用环境中是远远不能满足需要的，除非你的应用非常小，也没什么访问量。否则你可能会发现程序运行一段时间后包java.lang.OutOfMemoryError的错误。因此我们需要提升resin可用的虚拟机内存的大小。

解决方法：

修改/usr/local/resin/bin/httpd.sh中的args选项 添加参数-Xms（初始内存）和-Xmx（最大能够使用内存大小）可以用来限制JVM的物理内存使用量。例如：

args="-Xms128m -Xmx256m"

设置后，JVM初始物理内存是128m，最大能使用物理内存为256m。

这两个值应该由系统管理员根据服务器的实际情况进行设置。

 

本地方法栈

    本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行java方法（也就是字节码），而本地方法栈是为虚拟机使用到的Native方法服务的。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以*实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出*Error和OutOfMemoryError异常。

 

Java堆

    java堆（java heap）是java虚拟机所管理的内存中最大的一块。

    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，几乎所有的对象实例都会在这里分配内存。

所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随著JIT编译器的发展和逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也变得不是那么绝对了。

java堆是垃圾收集器管理的主要区域，

如果从内存回收的角度看：

由于现在收集器基本都是采用分代收集算法，所以java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

如果从内存分配的角度看：

线程共享的java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区，不过，无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

根据java虚拟机规范的规定：

java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续即可，当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

 

方法区

方法区与java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。虽然java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与java堆区分开来。

根据java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

 

运行时常量池

    运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

    运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

 

直接内存

    直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

    在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道与缓冲区的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。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在java 堆和native堆中来回复制数据。

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对象访问

    对象访问在java语言中无处不在，是最普通的程序行为，涉及java栈、java堆、方法区这三个最重要内存区域之间的关联关系

Object obj = new Object（）； 假设这句代码出现在方法体中，那 "Object obj" 这部分的语义将会反映到java栈的本地变量表中，作为一个reference类型出现。而“ new Object（）；” 这部分的语义将会反映到java堆中，形成一块存储了Object类型所有实例数据值的结构化内存，根据具体类型以及虚拟机实现的对象内存布局的不同，这块内存的长度是不固定的。另外，在java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据（如对象类型、父类、实现的接口、方法等）的地址信息，这些类型数据则存储在方法区中。

 

    由于reference类型在java虚拟机规范里面只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过哪种方式去定位，以及访问到java堆中的对象的具体位置，因此，不同虚拟机实现的对象访问方式会有所不同，主流的访问方式有两种：

句柄：java堆中会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中刚好对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息。

直接指针：java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中直接存储的就是对象地址。

优缺点：

    这两种对象的访问方式各有优势，使用句柄访问方式的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。

    使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

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