JVM学习——Java内存区域及异常
1. JVM 内存异常
JVM 自动内存管理机制包括内存动态分配和垃圾自动收集两部分，可能出现的异常包括内存泄漏和内存溢出两种。
内存泄漏：已申请的内存空间无法被主动释放或垃圾回收，导致可用内存越来越少，最终造成内存溢出。内存溢出：空闲内存不足，无法满足程序的内存分配请求，产生原因包括内存供不应求、内存泄漏等。
Java 内存区域可用内存空间大小受物理硬件、操作系统和 JVM 虚拟机配置三个层次的制约：
物理硬件：计算机能够提供的最大内存空间是物理内存与交换分区空间总和。
操作系统：操作系统能够寻址的最大内存空间受 CPU/OS 操作位数的限制，例如，32位操作系统的寻址空间为2GB。
JVM 虚拟机配置：JVM 提供多种参数用于配置 Java 各内存区域大小。
-Xms 配置 Java 堆初始分配内存大小，-Xmx 配置 Java 堆最大分配内存大小，二者相等表示禁止 Java 堆空间自动扩展。
-Xss 配置单个线程分配虚拟机栈空间大小，-Xoss 配置单个线程分配本地方法栈大小。Sun HotSpot 虚拟机中，虚拟机栈和本地方法栈进行统一管理，-Xoss 参数失效。
-XX:PermSize=10M 配置永生代初始分配内存大小，-XX:MaxPermSize=10M 配置永生代最大分配内存大小。JDK 1.8 中，彻底移除了永生代，该组参数在 JDK 1.8 及以后版本中失效。
-XX:MetaspaceSize 配置元数据空间初始分配内存大小， -XX:MaxMetaspaceSize 配置元数据空间最大分配内存大小，该组参数在 JDK 1.8 及以后版本中有效。
-XX:MaxDirectMemorySize=10M 配置直接内存大小，如不指定，默认与 -Xmx 相同。
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 配置堆溢出时保存快照，便于事后分析。
2. JVM 内存区域划分
| 内存区域 | 属性 | 数据结构 | 存储内容 | 抛出异常类型 | 垃圾收集 |
|---|---|---|---|---|---|
| 程序计数器 | 线程私有 | 无 | 正在执行的字节码行号 | 无（唯一无异常抛出） | 无 |
| Java 虚拟机栈 | 线程私有 | 栈 | Java 方法栈帧 | StackOverflowError / OutOfMemoryError | 无 |
| 本地方法栈 | 线程私有 | 栈 | Native 方法栈帧 | StackOverflowError / OutOfMemoryError | 无 |
| Java 堆 | 线程共享 | 堆 | 对象实例 / 数组 | OutOfMemoryError | 有 |
| 方法区 | 线程共享 | 堆 | 类信息 / 常量 / 静态变量/ 即时编译代码 | OutOfMemoryError | 有 |
Java 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。程序计数器是实现分支、循环、跳转、异常处理、线程切换与恢复的重要结构。
Sun HotSpot 虚拟机中将 Java 虚拟机栈与本地方法栈合二为一，统一管理。
String.intern()方法可以实现运行时将新常量加入运行时常量池。
栈帧是 JVM 方法执行的内存模型，包含局部变量表、操作数栈、动态链接、出口等部分，栈帧从入栈到出栈对应方法从调用到执行完成全过程。
线程私有内存区域随线程创建和撤销而被分配和收集，线程间互不影响，独立存储。
线程共享内存区域在虚拟机启动时创建，关闭时撤销，各线程共享内存空间，为多线程共享数据提供可能，同时存在线程同步问题。
直接内存不属于 JVM 内存区域，在 NIO 等场合应用，受到硬件及操作系统内存限制，仍然可能出现 OutOfMemoryError 异常。
3. 内存异常验证
参考自《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践 第2版》书中部分代码，根据 JDK 1.8 进行修正，全部代码经过执行验证，源代码地址 https://github.com/moonspiritacm/OOMTest。
3.1 Java 堆溢出
3.1.1 产生原因
内存溢出：JVM 分配的 Java 堆空间不足，程序创建的对象实例过多。
内存泄漏：GC 根与无用对象之间存在可达路径导致无法被垃圾收集机制回收。
3.1.2 解决方案
通过内存映像分析工具对堆转储快照进行分析，找出异常产生原因。
对于内存泄漏，通过工具查看泄漏对象到 GC 根的可达路径，定位泄漏代码位置。
对于内存溢出问题，一方面尽量调大堆空间，一方面修改代码尝试减少程序中对象的生命周期。
3.1.3 验证代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
*
* @author moonspirit
* @version 1.0
*/
public class HeapOOM {
static class OOMObject {
}
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList();
while (true) {
list.add(new OOMObject());
}
}
} 3.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出（单线程）
单线程下，虚拟机栈异常抛出 StackOverflowError。
3.2.1 产生原因
JVM 分配栈空间不足。
调用方法过多，深度递归，导致栈帧过多，引发栈溢出。
方法中本地变量等内容过多，导致单个栈帧过大，引发栈溢出。
3.2.2 验证代码
/**
* VM Args：-Xss128k
*
* @author moonspirit
* @version 1.0
*/
public class StackSOF {
private int stackLength = 1;
public void stackLeak() {
stackLength++;
stackLeak();
}
public static void main(String[] args) throws Throwable {
StackSOF oom = new StackSOF();
try {
oom.stackLeak();
} catch (Throwable e) {
System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);
throw e;
}
}
}3.3 虚拟机栈和本地方法栈溢出（多线程）
多线程下，虚拟机栈异常抛出 OutOfMemoryError。
3.3.1 产生原因
-Xss 配置单个线程分配栈空间大小，多线程中，该参数设置过大易出现栈内存溢出异常。
可用内存空间 = 最大堆容量（Xmx） + 栈总量（n*Xss） + 最大方法区容量（MaxPermSize） + 其他（程序计数器等）
为单个进程分配的栈容量越大，能够创建的线程数量就越少，越容易出现内存溢出。
3.3.2 验证代码
/**
* VM Args：-Xss2M
*
* @author moonspirit
* @version 1.0
*/
public class StackOOM {
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) throws Throwable {
StackOOM oom = new StackOOM();
oom.stackLeakByThread();
}
}3.4 方法区溢出
3.4.1 产生原因
1. 运行时常量池溢出
JDK 1.7 以前，JVM 采用永久代实现方法区，应用 GC 分代垃圾收集机制。不断将新常量添加到方法区，会导致方法区溢出。
JDK 1.7 中，运行时常量池已从永久代移除，不断添加新常量的方法不再导致方法区溢出。其中，符号引用转移到 native heap，字面量转移到 java heap，类的静态变量转移到 java heap。运行时常量池存储的不再是对象，而是对象引用，真正的对象存储在堆中，通过 -Xms 和 -Xmx 限制堆空间可以产生异常，注意此时发生溢出的是 Java 堆而不是方法区。
JDK 1.8 中，永生代被彻底移除，取而代之的是元空间（MetaspaceSize）。
2. 类信息溢出
类增强技术（CGLib、Spring）、JVM 上的动态语言（Groovy）、JSP 文件（JSP 首次运行时被编译成类）、基于OSGi的应用（同一个类文件被不同加载器加载视为不同的类）等会动态生成大量类，导致方法区溢出。
3.4.2 验证代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* VM Args：-Xms10m -Xmx10m
*
* @since JDK1.6
* @author moonspirit
* @version 1.0
*/
public class RuntimeConstantPoolOOM {
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList();
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;
/**
* VM Args：-XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M
*
* @author moonspirit
* @version 1.0
*/
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[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
return proxy.invokeSuper(obj, args);
}
});
enhancer.create();
}
}
static class OOMObject {
}
}3.5 直接内存溢出
3.5.1 产生原因
程序中直接或间接使用 NIO。
直接内存溢出不会再 Heap Dump 文件中观察到，溢出后 Dump 文件很小。
3.5.2 验证代码
import java.lang.reflect.Field;
import sun.misc.Unsafe;
/**
* VM Args：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
*
* @author moonspirit
* @version 1.0
*/
public class DirectMemoryOOM {
private static final int _1MB = 1024 * 1024;
public static void main(String[] args) throws Exception {
Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
unsafeField.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
while (true) {
unsafe.allocateMemory(_1MB);
}
}
}4. 参考文献
- 《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践 第2版》