深入理解java虚拟机-JVM高级特性和最佳实现(二)——了解j

每篇一叶

前言

上一回我们了解了java的历史背景和JVM的一些版本，这次我们要探索java的内存区域和内存溢出。
java和C++之间有一睹由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。java程序员将内存控制的权力交给了java虚拟机，一旦出现内存泄露和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

java虚拟机运行时数据区

基本概念

• 程序计数器
  线程隔离，一块较小的内存空间，当前程序所执行的字节码的行号指示器。唯一一个在java虚拟机规范中没有指定任何OutOfMemoryError情况的区域
• java虚拟机栈
  线程隔离，生命周期和线程相同，每个方法执行的同时都会产生一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
  局部变量表存放编译器可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double），对象的引用（reference类型，不等同与对象本身，有可能是指向起始地址的引用指针，也可能是一个代表对象的句柄活其他与对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）
  会出现的异常情况： StackOverflowError，线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度；OutOfMemoryError，虚拟机栈可以动态扩展，扩展无法申请到足够内存。
• 本地方法栈
  线程隔离，虚拟机栈为虚拟机指向java方法服务，本地方法栈为虚拟机提供Native方法服务。
• java堆
  线程内存共享。虚拟机所管理内存中最大的一块，所有线程共享。虚拟机规范中描述:所有对象实例以及数组都要在堆上分配。JIT编译器的发展后这个也不是绝对了GC的主要区域。收集器基本上采用分代收集算法-->java堆分为新生代和老年代。
• 方法区
  线程内存共享。存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译的代码等数据，java虚拟机任务是堆的一个逻辑部分，但是别名为非堆。有人称为永久代，其实并不等价，只是HotSopt虚拟机将GC分代收集扩展到了方法区，其他虚拟机并不存在永久代的概率。目前JDK1.7的HotSpot中已经将原本放在永久代的字符串常量池移出。
• 运行时常量池
  线程内存共享。方法区的一部分
• 直接内存
  并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。但这部分内存也被频繁使用。JDK1.4映入NIO，基于通道与缓冲区的I/O方式。利用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在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，避免java堆和Natie堆中来回复制数据。

HotSpot 虚拟机在java堆中对象分配、布局和访问的全过程。

HotSpot 虚拟机在java堆中对象分配、布局和访问的全过程

• 对象的分配

1. new指令--检查指令参数是否能在常量池中定位到类的符号引用，检查这个符号代表的类是否已经加载、解析，初始化，没有，执行类加载过程
2. 类加载检查通过--为新生对象分配内存--
   1. 堆内存绝对规整，指针碰撞分配方式，用过的内存放一边，空闲内存放一边，中间放一个指针作为分界点指示器。
   2. 堆内存不规整。空闲列表分配方式。
3. 具体采用什么分配方式取决于java堆是否规整。java堆是否规准由采取的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。
   1. Serial、ParNew等带Compact过程的收集器，分配采用指针碰撞分配
   2. 使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器通常采用空闲列表。
4. 分配内存并发情况，
   1. 动作同步处理，虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
   2. 内存分配按照线程划分在不同的空间进行。即每个线程在java堆中预先分配一小块内存，本地线程分配缓冲（TLAB），哪个线程需要分配内存就在哪个线程的TLAB伤分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。
5. 内存分配完后，虚拟机将分配的内存空间初始化为零值。使用TLAB，在TLAB分配时就直接进行这步。保证对象实例字段在java代码中不赋值就能直接使用。
6. 设置对象。对象所属哪个类的实例，如何查找类的元数据信息，对象的哈希码，对象的GC分代年龄等，这些信息存放在对象头中。
7. 上面完成后，虚拟机视角，一个新对象已经产生了，java程序视角，创建才刚刚开始，init还没执行，所有字段还为零。

• 对象的访问

  
  通过句柄访问对象
  通过指针访问对象

建立对象-->使用对象。java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。java虚拟机规范规定reference类型指向一个对象。
句柄好处：reference中存储的是句柄地址，在对象呗移动时只会改变句柄中的实例指针，而reference本身不修改
指针好处：速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。就Sun HotSpot而言，它是使用第二种方式进行对象访问的。但从整个软件开发范围来看，句柄访问的情况也十分常见。

1. 句柄。reference存储句柄地址。句柄中包含对象实例数据与类型数据各自的具体地址
2. 指针。java堆对象中必须考虑放置访问类型数据的相关信息。reference中存储的是对象地址。

实战OutOfMemoryError

先设置VM args -verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8

1. 堆内存溢出程序

/**
* VM Args: -Xms20M -Xmx20M -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
*/
public class HeapOOP {
    static class OOMObject{

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

异常信息

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.zwq.heap.HeapOOP.main(HeapOOP.java:13)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
    at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:147)

2. 虚拟机栈和本地方法栈溢出

public class JavaVMStackSop {
private int stackLength = 1;
public void stackLeak(){
stackLength++;
stackLeak();
}
public static void main(String[] args) throws Throwable{
JavaVMStackSop oom = new JavaVMStackSop();
try {
oom.stackLeak();
}catch (Throwable e){
System.out.println("stack length:"+oom.stackLength);
throw e;
}

}
}

异常信息

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
stack length:11387
    at com.zwq.heap.JavaVMStackSop.stackLeak(JavaVMStackSop.java:7)
    at com.zwq.heap.JavaVMStackSop.stackLeak(JavaVMStackSop.java:8)
...

3. 方法区和运行时常量池溢出

/**
* 方法区和运行时常量池溢出
* String.intern()是一个native方法，在字符串常量池有则直接返回，没有则添加到常量池中
* JDK1.6及以前版本常量池在永久代内，通过-XX:PermSize和-XX：MaxPermSize限制方法区大小，
*报错java.lang.outofmemoryerror:PermGen space
* 从而限制常量池容量
* 而JDK1.7后不会出现这个问题，会一直执行下去
*/
public class RunntimeConstantPoolOOM {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<String>();
int i=0;
while(true){
list.add(String.valueOf(i).intern());
}
}
}

/**
* 方法区内存溢出
*/
public class JavaMethodAreaOp {
public static void main(String[] args) {
while(true){
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
public Object intercept(Object o, Method method, Object[] args, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
return methodProxy.invokeSuper(o,args);
}
});
enhancer.create();
}
}
static class OOMObject{

}
}

需要配置cglib包引用

 <!-- [https://mvnrepository.com/artifact/cglib/cglib](https://mvnrepository.com/artifact/cglib/cglib) -->

<dependency>

<groupId>cglib</groupId>

<artifactId>cglib</artifactId>

<version>3.2.4</version>

</dependency>

附：由于jdk6.0及以下版本和JDK7.0以上版本存在差异，以下代码运行结果不一致

public class RunntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = new StringBuffer().append("计算机").append("软件").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);
        String str2 = new StringBuffer().append("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }
}

jdk1.6结果

false
false

jdk1.8结果

true
false

出现差异原因：String.intern()是一个Native方法，作用：jdk1.6及以前版本,如果字符串常量池已经包含一个等于此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String对象包含的字符串添加到常量池中，并返回此String对象的引用。jdk1.7后intern()方法不会再复制实例，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，由于“java”之前就出现，不符合首次首先，所以返回false，“计算机软件”首次出现，则返回true

4. 本机直接内存溢出

/**
* 本机直接内存溢出
*/
public class DirectMemoryOOM {
private static final int _1MB = 1024*1024;

public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException {
Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
unsafeField.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
while (true){
unsafe.allocateMemory(_1MB);
}

}
}

异常信息

java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at com.zwq.heap.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:18)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
    at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:147)

附：文中流程图为原创，代码来源周志明《java虚拟机 Jvm高级特性和最佳实现》，代码结果在idea上验证过。