JVM之Java内存区域与内存溢出异常

Java的JVM可以自动管理内存,包括内存动态分配和垃圾收集等。

简介

JVM在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的区域随着JVM进程的启动而存在,有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

先看看JVM运行时数据区包括哪几个部分:

JVM运行时数据区

可以看出JVM运行时数据区包括:堆、虚拟机栈、本地方法栈、方法区、程序计数器和运行时常量池。其中,运行时常量池在方法区里。

接下来对这几个区域一一介绍。

Java堆

Java堆(Java Heap)是JVM所管理的内存中最大的一块。

堆的作用是用来存放对象实例,所有的对象实例和数组都在堆上分配内存。

堆也是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称为“GC堆”。因为垃圾收集器主要用来收集对象,对象在堆上分配,所以自然堆是垃圾收集器管理的主要区域。

堆被所有的线程共享,在虚拟机启动时创建,物理上可在不连续的内存空间中,跟磁盘空间一样。

Java堆溢出

什么情况下会堆溢出

当创建新对象,堆上内存不够时就会产生堆溢出。

只要不断创建对象,并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象,那么当堆上的内存不够创建新对象时就会产生内存溢出异常。

制造堆溢出

/**
 * -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 */
public class HeapOOM {
    static class OOMObject{

    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
        long length=0;

        while (true){
            try {
                list.add(new OOMObject());
                length += 1;
            } catch (Throwable e){
                System.out.println("number of obj: "+length);
                throw e;
            }
        }
    }
}

输出:

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid39193.hprof ...
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Heap dump file created [27917334 bytes in 0.227 secs]
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
number of obj: 810325
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
    at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
    at com.lbd.jvm.HeapOOM.main(HeapOOM.java:20)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:497)
    at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:144)

Process finished with exit code 1

解决堆溢出

重点确认内存中的对象是否是必要的,也就是确认到底是出现了内存泄露(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow)。

方法:通过内存映像分析工具(如Eclipse Memory Analyzer)对Dump出来的堆转储快照进行分析。

如果是内存泄露:

进一步通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链,这样就能找到泄露对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的,这样就可以比较准确地定位出泄露代码的位置

如果不是内存泄露:

也就是内存中的对象确实还必须存活这,那就应该检查虚拟机的堆参数(-Xms和-Xmx),看看是否可以调大一些。

方法区

方法区与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,用于存储已被虚拟机加载的类信息(类的版本、字段、方法、接口等描述信息)、常量、静态变量、即使编译器编译后的代码等数据。

方法区的内存回收主要针对常量池的回收和堆类型的卸载。垃圾收集行为在该区域比较少出现。

在HotSpot虚拟机中,方法区又被称为“永久代”(Permanent Generation),这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存,就不用专门为方法区编写内存管理代码了。

方法区溢出

如果产生大量的类或者大量的字符串常量(运行时常量池溢出)可能导致方法区溢出。

Java SE API可以动态产生类,如反射时的GeneratedConstructorAccessor和动态代理等。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分,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进入方法区的运行时常量池中存放。

运行时常量池溢出

什么时候会运行时常量池溢出

产生大量的字符串常量。

制造运行时常量池溢出

注:以下代码只在JDK1.6及之前的版本才会产生运行时常量池溢出异常,因为在这些版本中常量池分配在永久代内,可以通过-XX:PermSize=1M -XX:MaxPermSize=1M来限制方法区的大小,从而间接限制其中常量池的容量。

/**
 * -XX:PermSize=1M -XX:MaxPermSize=1M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true){
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

虚拟机栈

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧(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。每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应者一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

虚拟机栈是线程私有的。为Java方法服务。

虚拟机栈中最重要的是局部变量表。局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型和对象引用类型。是在编译期确定的。

虚拟机栈溢出

什么情况下会Java虚拟机栈溢出

  • 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度(一般是递归),将抛出StackOverflowError异常。
  • 如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间,则抛出OutOfMemoryError异常。

制造虚拟机栈溢出(StackOverflowError)

递归。因为递归需要用到栈。设置栈容量为256k(-Xss256k)。

/**
 * -Xss256k
 */
public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak(){
        stackLength++;
        stackLeak();
    }
    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try {
            oom.stackLeak();
        } catch (Throwable e){
            System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

输出:

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
stack length:2789
    at com.lbd.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
    at com.lbd.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
    at com.lbd.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
    at com.lbd.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
    at com.lbd.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)

当调用了2789次后出现了栈溢出StackOverflowError。

制造虚拟机栈溢出(OutOfMemoryError)

创建足够多的线程,当扩展栈时无法申请到足够的内存空间,就会抛出OutOfMemoryError异常。

/**
 * -Xss2M
 * dangerous,don't run this program!
 */
public class JavaVMStackOOM {
    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) {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用很相似。区别在于:虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。

程序计数器

程序计数器用来记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址。程序计数器是线程私有的。是唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

因为Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配CPU执行时间的方式来实现的。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每个线程需要有一个独立的程序计数器,各线程之间计数器互不影响,独立存储。

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。

JDK1.4中新加入了NIO(New Input/Ouput)类,引入了一种基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)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堆中的DirectByteBufer对象作为这块内存的引用进行操作。

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