Java内存区域与内存溢出异常

2017-04-22  本文已影响54人  大海孤了岛

引言

对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存。但正是因为Java程序员把内存控制权利交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面，如果不了解虚拟机是如何使用内存的，那么排查错误将会非常困难。

2.2 运行时数据区域

2.2.1 程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间。它可以看作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。

2.2.2 Java虚拟机栈

Java虚拟机栈是线程私有的，其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：每个方法在执行时都会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。每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应了一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

局部变量表

2.2.3 本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈的作用是非常相似的，它们之间的区别在于虚拟机栈为虚拟机执行Java方法，而本地方法栈为虚拟机执行native方法。

2.2.4 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。该内存区域的唯一目的是存放对象实例。
2.2.5 方法区

方法区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。

2.2.6 运行时常量池

运行时常量池为方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

2.3 HotSpot虚拟机对象探秘

2.3.1 对象的创建

在语言层面上，创建对象（例如克隆，反序列化）通常仅仅是一个new关键字而已，但在虚拟机中，对象的创建却是一个复杂的过程。

对象创建的具体过程：

2.3.2 对象的内存布局

对象在内存中存储的布局分为：对象头，实例数据和对齐填充。

2.3.3 对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用通过何种方式去定位，访问堆中对象的具体位置，所以对象的访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主要的访问方式为使用句柄和直接指针。

使用句柄.png 使用指针直接访问.png

2.4 实战：OutOfMemoryError异常

在Java虚拟机中，除了程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError异常的可能。

2.4.1 Java堆溢出

Java堆用于存储对象，只要不断地创建对象，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。

我们来看一个例子：

public class HeapOOM {
    static class OOMObject{
    }
    public static void main(String[] args){
        List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
        //不断创建对象，并添加到list中，以保留引用，防止被垃圾回收器回收
        while (true){
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

在这里设置Java堆的大小为20MB，不可扩展（将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为一样即可避免堆自动扩展），通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析。


设置.png

输出结果如下：


结果.png
2.4.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

关于虚拟机栈和本地方法栈，在Java虚拟机规范中描述了两种异常：

我们通过设置-Xss：128k来设定栈容量为128k，然后通过不断调用方法来增加栈的深度。

public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;
    //不断调用方法，从而增加栈深度
    public void stackLength(){
        stackLength ++;
        stackLength();
    }

    public static void main(String[] args){
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try {
            oom.stackLength();
        } catch (Throwable e){
            System.out.println("stack length: " + oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

输出结果：

栈异常.png
2.4.3 方法区和运行时常量池溢出

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。

String.intern()是一个Native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含了一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；否则，将此String对象包含的字符添加到常量池中，并且返回此String对象的引用。

/**
 * VM Args: -XX:PermSize=20M -XX:MaxPermSize=20M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {

    public static void main(String[] args){
        //使用List保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
        List<String> list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true){
            list.add(String.valueOf(i ++).intern());
        }
    }
}
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