03-JVM內存模型：堆與方法區

1、堆（Heap）

1.1.什麼是堆

　　堆是用於存放對象的內存區域。所以，它是垃圾收集器（GC）管理的主要目標。其具備如下特色：

• 堆在邏輯上劃分爲「新生代」和「老年代」。因爲JAVA中的對象大部分是朝生夕滅，還有一小部分可以長期的駐留在內存中，爲了對這兩種對象進行最有效的回收，將堆劃分爲新生代和老年代，而且執行不一樣的回收策略。不一樣的垃圾收集器對這2個邏輯區域的回收機制不盡相同，在後續的章節中咱們將詳細的講解。
• 堆佔用的內存並不要求物理連續，只須要邏輯連續便可。
• 堆通常實現成可擴展內存大小，使用「-Xms」與「-Xmx」控制堆的最小與最大內存，擴展動做交由虛擬機執行。但因爲該行爲比較消耗性能，所以通常將堆的最大最小內存設爲相等。
• 堆是全部線程共享的內存區域，所以每一個線程均可以拿到堆上的同一個對象。
• 堆的生命週期是隨着虛擬機的啓動而建立。

1.2.堆異常

　　當堆沒法分配對象內存且沒法再擴展時，會拋出OutOfMemoryError異常。

　　通常來講，堆沒法分配對象時會進行一次GC，若是GC後仍然沒法分配對象，纔會報內存耗盡的錯誤。能夠經過不斷生成新的對象但不釋放引用來模擬這種情形：

 1 /**
 2  * java堆溢出demo
 3  * JVM參數：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 4  * Created by chenjunyi on 2018/4/25.
 5  */
 6 public class HeapOOM {
 7 
 8     static class OOMObject {
 9     }
10 
11     public static void main(String[] args) {
12         List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
13         //不斷建立新對象，使得Heap溢出
14         while (true) {
15             list.add(new OOMObject());
16         }
17     }
18 
19 }

　　上述代碼中對象不斷的被建立而不進行引用釋放，致使GC沒法回收堆內存，最終OutOfMemoryError，錯誤信息：

1 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

 

 2、方法區（Method Area）

2.1.什麼是方法區

　　方法區，也稱非堆（Non-Heap），又是一個被線程共享的內存區域。其中主要存儲加載的類字節碼、class/method/field等元數據對象、static-final常量、static變量、jit編譯器編譯後的代碼等數據，。另外，方法區包含了一個特殊的區域「運行時常量池」，它們的關係以下圖所示：

（1）加載的類字節碼：要使用一個類，首先須要將其字節碼加載到JVM的內存中。至於類的字節碼來源，能夠多種多樣，如.class文件、網絡傳輸、或cglib字節碼框架直接生成。
（2）class/method/field等元數據對象：字節碼加載以後，JVM會根據其中的內容，爲這個類生成Class/Method/Field等對象，它們用於描述一個類，一般在反射中用的比較多。不一樣於存儲在堆中的java實例對象，這兩種對象存儲在方法區中。
（3）static-final常量、static變量：對於這兩種類型的類成員，JVM會在方法區爲它們建立一份數據，所以同一個類的static修飾的類成員只有一份；
（4）jit編譯器的編譯結果：以hotspot虛擬機爲例，其在運行時會使用JIT即時編譯器對熱點代碼進行優化，優化方式爲將字節碼編譯成機器碼。一般狀況下，JVM使用「解釋執行」的方式執行字節碼，即JVM在讀取到一個字節碼指令時，會將其按照預先定好的規則執行棧操做，而棧操做會進一步映射爲底層的機器操做；經過JIT編譯後，執行的機器碼會直接和底層機器打交道。以下圖所示：

2.2.運行時常量池

　　在2.1小節中，咱們瞭解到類的字節碼在加載時會被解析並生成不一樣的東西存入方法區。類的字節碼中不只包含了類的版本、字段、方法、接口等描述信息，還包含了一個常量池。常量池用於存放在字節碼中使用到的全部字面量和符號引用（如字符串字面量），在類加載時，它們進入方法區的運行時常量池存放。

　　運行時常量池是方法區中一個比較特殊的部分，具有動態性，也就是說，除了類加載時將常量池寫入其中，java程序運行期間也能夠向其中寫入常量：

1 //使用StringBuilder在堆上建立字符串abc，再使用intern將其放入運行時常量池
2 String str = new StringBuilder("abc");
3 str.intern();
4 //直接使用字符串字面量xyz，其被放入運行時常量池
5 String str2 = "xyz";

 2.3.方法區的實現

　　方法區的實現，虛擬機規範中並未明確規定，目前有2種比較主流的實現方式：

（1）HotSpot虛擬機1.7-：在JDK1.6及以前版本，HotSpot使用「永久代（permanent generation）」的概念做爲實現，即將GC分代收集擴展至方法區。這種實現比較偷懶，能夠沒必要爲方法區編寫專門的內存管理，但帶來的後果是容易碰到內存溢出的問題（由於永久代有-XX:MaxPermSize的上限）。在JDK1.7+以後，HotSpot逐漸改變方法區的實現方式，如1.7版本移除了方法區中的字符串常量池。

（2）HotSpot虛擬機1.8+：1.8版本中移除了方法區並使用metaspace（元數據空間）做爲替代實現。metaspace佔用系統內存，也就是說，只要不碰觸到系統內存上限，方法區會有足夠的內存空間。但這不意味着咱們不對方法區進行限制，若是方法區無限膨脹，最終會致使系統崩潰。

　　咱們思考一個問題，爲何使用「永久代」並將GC分代收集擴展至方法區這種實現方式很差，會致使OOM？首先要明白方法區的內存回收目標是什麼，方法區存儲了類的元數據信息和各類常量，它的內存回收目標理應當是對這些類型的卸載和常量的回收。但因爲這些數據被類的實例引用，卸載條件變得複雜且嚴格，回收不當會致使堆中的類實例失去元數據信息和常量信息。所以，回收方法區內存不是一件簡單高效的事情，每每GC在作無用功。另外隨着應用規模的變大，各類框架的引入，尤爲是使用了字節碼生成技術的框架，會致使方法區內存佔用愈來愈大，最終OOM。

2.4.方法區異常

　　在2.3一節中，咱們瞭解到方法區的2種實現方式最終都會有一個最大值上限，所以若方法區（含運行時常量池）佔用內存到達其最大值，且沒法再申請到內存時，便會拋出OutOfMemoryError。

　　在下面的例子中，咱們將使用cglib字節碼生成框架不斷生成新的類，最終使方法區內存佔用滿，拋出OutOfMemoryError：

 1 /**
 2  * java方法區溢出OutOfMemoryError（JVM參數適用於JDK1.6以前，藉助CGLIB）
 3  * JVM參數：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 4  * Created by chenjunyi on 2018/4/26.
 5  */
 6 public class JavaMethodAreaOOM {
 7 
 8     public static void main(String[] args) {
 9         while (true) {
10             Enhancer enhancer = new Enhancer();
11             enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
12             enhancer.setUseCache(false);
13             enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (o, method, objects, methodProxy) -> methodProxy.invokeSuper(objects, args));
14             enhancer.create();
15         }
16     }
17 
18     static class OOMObject {
19     }
20 
21 }

　　報錯信息爲：

1 Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
2   at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
3   ···

　　其實，在平常開發中，不只僅使CGlib字節碼生成框架會產生大量的class信息，動態語言、JSP、基於OSGI的應用都會在方法區額外產生大量的類信息。