JVM之内存模型以及各种溢出异常
近期学习了JVM，借此整理一下JVM有关的内存模型和各种内存溢出。
运行时数据区域
要理解Java的内存模型，作者觉得最好是从线程的角度去理解比较好。分为线程共享部分和线程隔离部分。这样各个区域有各自的用途，以及分配和清除的时间。有些区域随着用户线程产生而产生，有些区域随着虚拟机启动的时候就开始存在。Java程序运行时的数据区域主要如下所示（注意：Java SE 1.7）
Java虚拟机运行时的数据区
程序计数器
程序计数器是一块比较小的内存，可以看做是当前线程的执行的字节码的行号指示器。因为Java程序的class文件是字节码，虚拟机通过程序计数器来执行下一条需要执行的指令（循环，跳转，异常处理，线程恢复等）。这其中有一个特别重要的功能：Java的多线程中，是通过争夺cpu来执行程序的，没有争夺到cpu的线程则会进入等待的状态，而当等待的线程抢占到cpu后，会有状态的切换。这时候则根据程序计数器的指令来恢复到正确执行的位置。还有一个重点就是，这个区域是Java虚拟机规范中唯一一个不会出现OutOfmemoryError的区域。
虚拟机栈
每一个线程创建的时候同时会创建自己独立的虚拟机栈，用于存放栈帧，栈帧是用于存放局部变量和一些过程结果的地方。Java虚拟机规范规定虚拟机栈可以固定分配或者动态扩展。
虚拟机栈可能发生如下异常情况：
- 如果线程请求分配的栈容量大于虚拟机允许的容量（也就是满栈）的时候，虚拟机就会抛出StackOverflowError异常。
- 如果线程新建时没有足够的内存去创建虚拟机栈，或者在平时动态扩展过程中，已经申请扩展，但无法申请到足够的内存去扩展虚拟机栈，那虚拟机就会抛出一个OutOfMemoryError异常。
/**
* 虚拟机栈StackOverflowError示例
* VM args:-Xss128k
*/
public class StackSOF{
public static void main(String[] args){
neverGoOut();
}
public static void neverGoOut(){
neverGoOut();
}
}
/**
* 虚拟机栈OutOfMemoryError示例
* 在Linux物理机上才能跑出来
* VM args: -Xss2M
*/
public class JavaVMStackOOM{
public static void main(String[] args){
while(true){
new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run(){
neverDown();
}
}).start();
}
}
private static void neverDown(){
while(true){}
}
}
本地方法栈
和虚拟机栈一样，每一个线程创建的时候也会创建自己独立的本地方法栈，只不过这个栈是用来存放本地方法的，也就是native调用的方法。本地方法栈也是可以固定分配或者动态扩展。
本地方法栈可能发生如下异常情况：
- 如果线程请求分配的栈容量大于本地方法栈允许的容量的时候，虚拟机就会抛出一个StackOverflowError异常。
- 如果线程新建时没有足够的内存去创建本地方法栈，或者在平时动态扩展过程中，已经申请扩展，但无法申请到足够的内存去扩展虚拟机栈，那虚拟机就会抛出一个OutOfMemoryError异常。
虽然HotSpot有-Xoss参数可以设置本地方法栈的大小，但实际上是无效的，栈容量只有-Xss参数设定,所以该部分的验证方法参考虚拟机栈。
方法区
在Java虚拟机中，方法区是线程运行是共享的区域，它存储着每一个类的结构信息，包括运行时常量池，字段和方法数据，构造方法和普通方法的字节码内容。因为方法区是线程共享的部分，所以它在Java虚拟机启动的时候被创建。
方法区可能发生如下异常情况：
- 如果方法区的内存空间不能满足内存分配的要求，Java虚拟机则会抛出一个OutOfMemoryError异常。
验证：
import java.util.List;
import java.util.ArrayList;
/**
* 方法区运行常量池OutOfMemoryError示例
* Java version:1.6因为1.6的String.intern()方法是在首次出现的字符串复制入永久代，而1.7版本则只会放置一个引用到永久代（所以不能触发内存溢出）
* VM args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10m
* */
public class RuntimeConstantPoolOOM{
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<String>();
int i = 0;
while(true){
list.add(String.valueOf(i++).intern());
}
}
}
import java.lang.reflect.Method;
import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;
/**
*方法区加载类信息OutOfMemoryError示例
* jar包：cglib-3.2.4.jar,asm-5.1.jar
* VM args:-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
*/
public class JavaMethodAreaOOM{
public static void main(String[] args){
while(true){
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback(new MethodInterceptor(){
@Override
public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] objs, MethodProxy proxy)throws Throwable{
return proxy.invokeSuper(obj, objs);
}
});
enhancer.create();
}
}
static class OOMObject{}
}
堆
Java堆
堆是各个线程共享的运行时内存区域，也就是每一个对象和数组的分配内存的区域。堆在Java虚拟机启动的时候就创建了，它存储了内存自动管理系统，也就是我们常说的垃圾回收器。堆是可以固定大小也可以动态分配的。
堆可能发生如下异常情况：
如果实际所需的堆超过了垃圾回收器提供的最大容量，Java虚拟机则会抛出一个OutOfMemoryError异常。
验证：
/**
* Java堆OutOfMemoryError示例
* VM args:-Xmx10M -Xms10M
*/
public class HeapOOM{
public static final int _1MB = 1024 * 1024;
public static void main(String[] args) {
byte[] b = new byte[10 * 1024 * 1024];
}
}
本机直接内存
直接内存分配可以越过堆直接向操作系统申请分配内存。DirectMemory容量可以通过-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认和Java堆最大值一样。以下示例代码是用unsafe直接分配本机内存导致的内存溢出：
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
/**
* 直接内存分配OutOfMemoryError示例
* VM args:-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
*/
public class DirectMemoryOOM{
private static final int _1MB = 1024 * 1024;
public static void main(String[] args) throws Exception{
Field field = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
field.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe)field.get(null);
while(true){
unsafe.allocateMemory(_1MB);
}
}
}
参考资料
《深入理解Java虚拟机》
《Java 虚拟机规范（Java SE 7 版）》
