JVM 虚拟机（2）自动内存管理机制

作者: 木子李_af14 | 来源:发表于2017-12-18 09:46 被阅读20次

如果把内存比作蛋糕，那么堆、栈不过是其中的一小块。

Java内存区域

运行时数据区域

线程共享数据区：方法区、堆
线程私有数据区：虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器

Java虚拟机运行时数据区

程序计数器

主要记录当前线程正在执行的虚拟机字节码指令。因为程序计数器是线程私有的数据区，所以在多线程切换时，也不会造成指令错乱。
另外，这也是唯一一个Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

虚拟机栈

虚拟机栈的生命周期和线程一样，它描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时，都会创建出一个栈帧（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，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
通常所说的堆栈中的“栈”，指的就是这个虚拟机栈，更恰当的说，应该是虚拟机栈中的局部变量表。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（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它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）。
注意！注意！注意！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。
两种异常：

StackOverflowError
如果线程请求的栈深度大于虚拟机锁允许的深度，将抛出该异常
OutOfMemoryError
如果虚拟机可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存，就抛出该异常。

本地方法栈（Native Method Stack）

它和虚拟机栈的区别是：虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。
虚拟机规范没有限制本地方法栈做特殊使用的语言、方法、数据结构等，所以不同的虚拟机可以有不同的实现，甚至如HotSpot虚拟机，将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

Java堆

堆是Java虚拟机管理的最大的一块内存。
所有实例对象以及数组都要在堆上分配。
堆也是垃圾收集器管理的主要区域（GC堆，Garbage Collected Heap）。
从内存回收角度来看，由于现在的收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以分为：新生代、老年代。再细致一点，可分为Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。
从内存分配角度看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的份额皮缓冲区（Thread Local Allocation Buffer， TLAB）。

方法区 Method Area

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。

运行时常量池 Runtime Constant Pool

运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息时常量池，用于存放编译期产生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。

直接内存 Direct Memory

它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。但是会经常使用到。
在JDK1.4中新加入的NIO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，然后通过一个存在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制区域。

HotSpot虚拟机

对象创建

Java中的new关键字，对于虚拟机来说是一条new指令，当虚拟机接收到这条指令后，首先去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化过，如果没有，那必须先执行相应的类加载过。
类加载完成后，虚拟机将为新生对象分配内存（虚拟机如何保证操作原子性？）。对象所需内存的大小在类加载的时候是完成可确定的，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。常用的内存分配方式有“指针碰撞Bump the Pointer、空闲列表Free List”。另外，选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。
3.分配完成后，虚拟机会自动分配零值（不包括对象头），以保证对象的实例字段在Java代码中可以不赋值就可以直接使用。
4.虚拟机设置对象头。

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）。
对象头分为两部分：

第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希吗（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。
另一分部是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针

实例数据：
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。

对齐填充：
占位符的左右。
由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

通过句柄访问对象
如果使用句柄访问对象，nameJava堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference引用中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息。

通过句柄访问对象
通过直接指针访问对象
如果使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局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

Java 溢出异常

OutOfMemoryrror异常

堆溢出

Java堆用于存储对象实例，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楚这些对象，那么在对象数量到达最大对的容量限制后，就会产生内存溢出异常。

/**
 * -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/home/error
 */
public class Main {

    static class OOMObject {

    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

其中：-Xms20m -Xmx20m用来控制堆大小为20m，-设置XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError是为了在内存溢出的时候，保存堆溢出的文件，后期可以通过工具分析该文件，找出具体的原因是什么。-XX:HeapDumpPath=/home/error是为了指定堆溢出时，文件存储的位置，如果不指定，默认存储到了项目根目录下（我电脑上是这样）。

错误日志：

Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:14065', transport: 'socket'
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid20124.hprof ...
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:14065', transport: 'socket'
Heap dump file created [28058107 bytes in 0.138 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
    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.Main.main(Main.java:21)

栈溢出

对于HotSpot虚拟机来说，栈容量只由-Xss参数设定。

/**
 * -Xss128k
 */
public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLenth = 1;

    public void stackLeak() {
        stackLenth ++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackSOF stackSOF = new JavaVMStackSOF();
        try {
            stackSOF.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
            throw e;
        }
    }
}

在这种单线程下，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。
另外，如果测试不限于单线程，通过不断创建线程的方式可以产生内存溢出异常，原因是：操作系统分配给每个进程的内存是有限的，譬如32位Windows限制为2GB。虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区的这两部分内存的最大值。剩余的内存为2GB（操作系统限制）-Xmx（最大堆容量）-MaxPermSize（最大方法区容量）-程序计数器（实际可忽略其内存大小）。如果虚拟机进程本身消耗的内存不计算在内，剩下的内存就由虚拟机栈和本地方法栈瓜分了，每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数量自然就越少，建立线程的时候就越容易把剩下的内存耗尽。

错误日志：

Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:8169', transport: 'socket'
java.lang.StackOverflowError
    at com.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:11)
    at com.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)
    at com.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)
    at com.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)
    at com.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)

方法区和运行时常量池溢出

/**
 * 该代码是在jdk1.6上跑的，会出现OOM，但是在jdk1.7或以上版本，while循环会一直下去
 * -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM{
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = Lists.newArrayList();
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

错误日志：

Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:8336', transport: 'socket'
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:8336', transport: 'socket'
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.String.intern(Native Method)

方法区溢出，因为方法区存放的是Class相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。咱们可以通过不断的创建类对象，撑爆方法区。

/**
 * -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class JavaMethodAreaOOM{

    static class OOMObject {}

    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 o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                    return methodProxy.invokeSuper(o, objects);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }
}

Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:8417', transport: 'socket'
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:8417', transport: 'socket'

注释：

虚拟机如何保证操作原子性：虚拟机采用CAS+失败重试的方式保证更新操作的原子性。
指针碰撞：假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器。那所分配内存就仅仅把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。
空闲列表：如果Java堆中的内存不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单的进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。

JVM 虚拟机（2）自动内存管理机制

Java内存区域

运行时数据区域

程序计数器

虚拟机栈

本地方法栈（Native Method Stack）

Java堆

方法区 Method Area

运行时常量池 Runtime Constant Pool

直接内存 Direct Memory

HotSpot虚拟机

对象创建

对象的内存布局

对象的访问定位

Java 溢出异常

OutOfMemoryrror异常

堆溢出

栈溢出

方法区和运行时常量池溢出

注释：

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