JVM笔记 – 自动内存管理机制(Java内存区域与内存溢出异常)
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1、Java内存区域与内存溢出异常1.1、概述1.2、运行时数据区域1.2.1、程序计数器1.2.2、Java虚拟机栈1.2.3、本地方法栈1.2.4、Java堆1.2.5、方法区1.2.6、运行时常量池1.2.7、直接内存1.3、HotSpot虚拟机对象探秘1.3.1、对象的创建1.3.2、对象的内存布局1.3.3、对象的访问定位1.4、实战:OutOfMemoryError异常1.4.1、Java堆溢出1.4.2、虚拟机栈和本地方法栈溢出1.4.3、方法区和运行时常量池溢出1.4.4、本机字节内存溢出
《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第2版)》笔记 - 自动内存管理机制(Java内存区域与内存溢出异常)

1、Java内存区域与内存溢出异常
1.1、概述
1.2、运行时数据区域

Java 虚拟机运行时数据区

20141111-java01

1.2.1、程序计数器

由于 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)都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,这个计数器值则为空( Undefined)。 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。

1.2.2、Java虚拟机栈

与程序计数器一样, Java 虚拟机栈( Java Virtual Machine Stacks) 也是线程私有的,它的生命周期与线程相同。

存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型( boolean、 byte、 char、 short、 int、 float、 long、 double)、 对象引用( reference 类型,它不等同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)和 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。

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出 StackOverflowError 异常;如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分的 Java 虚拟机都可动态扩展,只不过 Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈),如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

1.2.3、本地方法栈

本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native方法服务

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,本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

1.2.4、Java堆

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在这里分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称做“ GC 堆”( Garbage Collected Heap, 幸好国内没翻译成“垃圾堆”)。

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,只要逻辑上是连续的即可,就像我们的磁盘空间一样。在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过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。

1.2.5、方法区

方法区( Method Area) 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。

对于习惯在 HotSpot 虚拟机上开发、部署程序的开发者来说,很多人都更愿意把方法区称为“永久代”( Permanent Generation),

对于其他虚拟机(如 BEA JRockit、 IBM J9 等)来说是不存在永久代的概念的。

使用永久代来实现方法区,现在看来并不是一个好主意,因为这样更容易遇到内存溢出问题(永久代有- XX: MaxPermSize 的上限

Java 虚拟机规范对方法区的限制非常宽松,除了和 Java 堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外,还可以选择不实现垃圾收集。

1.2.6、运行时常量池

运行时常量池( Runtime Constant Pool) 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( Constant Pool Table), 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。

运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性

这种特性被开发人员利用得比较多的便是 String 类的 intern() 方法。

1.2.7、直接内存

在 JDK 1. 4 中新加入了 NIO( New Input/ Output) 类,引入了一种基于通道( Channel) 与缓冲区( Buffer) 的 I/ O 方式,它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存

1.3、HotSpot虚拟机对象探秘
1.3.1、对象的创建

为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。

在使用 Serial、 ParNew 等带 Compact 过程的收集器时,系统采用的分配算法是指针碰撞,而使用 CMS 这种基于 Mark- Sweep 算法的收集器时,通常采用空闲列表。

内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值

执行 new 指令之后会接着执行< init >方法,把对象按照程序员的意愿进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

1.3.2、对象的内存布局

在 HotSpot 虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为 3 块区域:对象头( Header)、 实例数据( Instance Data) 和对齐填充( Padding)。

HotSpot 虚拟机的对象头包括两部分信息,第一部分用于存储对象自身的运行时数据。

Mark Word

对象头的另外一部分是类型指针,即对象指向它的类元数据的指针

如果对象是一个 Java 数组,那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据,

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。

第三部分对齐填充并不是必然存在的,也没有特别的含义,它仅仅起着占位符的作用。

1.3.3、对象的访问定位

通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。

目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息

通过句柄访问对象

20141111-java02

如果使用直接指针访问,那么 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,而 reference 中存储的直接就是对象地址

通过直接指针访问对象

20141111-java03

使用句柄来访问的最大好处就是 reference 中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针,而 reference 本身不需要修改。

使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快

1.4、实战:OutOfMemoryError异常

根据异常的信息快速判断是哪个区域的内存溢出,知道什么样的代码可能会导致这些区域内存溢出,以及出现这些异常后该如何处理。

1.4.1、Java堆溢出

参数- XX:+ HeapDumpOnOutOfMemoryError

先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,重点是确认内存中的对象是否是必要的,也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏( Memory Leak) 还是内存溢出( Memory Overflow)。

如果是内存泄露,可进一步通过工具查看泄露对象到 GC Roots 的引用链。

如果不存在泄露,换句话说,就是内存中的对象确实都还必须存活着,那就应当检查虚拟机的堆参数(- Xmx 与- Xms)

1.4.2、虚拟机栈和本地方法栈溢出

在 HotSpot 虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈,因此,对于 HotSpot 来说,虽然- Xoss 参数(设置本地方法栈大小)存在,但实际上是无效的,栈容量只由- Xss 参数设定。

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度,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。

限制于单线程中的操作,尝试了下面两种方法均无法让虚拟机产生 OutOfMemoryError 异常,尝试的结果都是获得 StackOverflowError 异常

在单个线程下,无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小,当内存无法分配的时候,虚拟机抛出的都是 StackOverflowError 异常。

2GB内存容量( 操作系统限制)减去 Xmx( 最大堆容量),再减去 MaxPermSize( 最大方法区容量),程序计数器消耗内存很小,可以忽略掉。如果虚拟机进程本身耗费的内存不计算在内,剩下的内存就由虚拟机栈和本地方法栈“瓜分”了。

如果是建立过多线程导致的内存溢出,在不能减少线程数或者更换 64 位虚拟机的情况下,就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。

1.4.3、方法区和运行时常量池溢出

运行时常量池是方法区的一部分

在 JDK 1.6 及之前的版本中,由于常量池分配在永久代内,我们可以通过- XX: PermSize 和- XX: MaxPermSize 限制方法区大小,从而间接限制其中常量池的容量

" PermGen space", 说明运行时常量池属于方法区( HotSpot 虚拟机中的永久代)的一部分。

而使用 JDK 1.7 运行这段程序就不会得到相同的结果, while 循环将一直进行下去。

在 JDK 1.6 中, intern() 方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中,返回的也是永久代中这个字符串实例的引用,而由 StringBuilder 创建的字符串实例在 Java 堆上,所以必然不是同一个引用

而 JDK 1.7( 以及部分其他虚拟机,例如 JRockit) 的 intern() 实现不会再复制实例,只是在常量池中记录首次出现的实例引用,因此 intern() 返回的引用和由 StringBuilder 创建的那个字符串实例是同一个。

方法区用于存放 Class 的相关信息,如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。

一个类要被垃圾收集器回收掉,判定条件是比较苛刻的。在经常动态生成大量 Class 的应用中,需要特别注意类的回收状况。

1.4.4、本机字节内存溢出

DirectMemory 容量可通过- XX: MaxDirectMemorySize 指定,如果不指定,则默认与 Java 堆最大值(- Xmx 指定)一样

如果读者发现 OOM 之后 Dump 文件很小,而程序中又直接或间接使用了 NIO, 那就可以考虑检查一下是不是这方面的原因。

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2014 11/11
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