JVM筆記-運行時內存區域劃分

1. 概述

Java 虛擬機在執行 Java 程序的過程當中會把它管理的內存劃分爲若干個不一樣的數據區域。它們各有用途，有些隨着虛擬機進程的啓動一直存在（堆、方法區），有些則隨着用戶線程的啓動和結束而創建和銷燬（程序計數器、虛擬機棧、本地方法棧）。

《Java 虛擬機規範》中規定 Java 虛擬機管理的內存包括如下幾個區域：

下面簡要分析各個區域的特色。

2. JVM 運行時內存區域

2.1 程序計數器

程序計數器（Program Counter Register），能夠看作當前線程所執行的字節碼的行號指示器（其實就是記錄代碼執行到了哪裏）。特色以下：

• 線程私有；
• 佔用內存空間較小；
• 若線程執行的是 Java 方法，記錄的是虛擬機字節碼指令地址；若執行的是本地（Native）方法，則爲空（Undefined）；
• 該區域是惟一一個在《Java 虛擬機規範》中規定無任何 OutOfMemoryError 的區域。

主要做用：記錄線程執行到了哪裏。

2.2 Java 虛擬機棧

Java 虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）：Java 方法執行的線程內存模型。

每一個方法被執行時，虛擬機棧都會建立一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操做數棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法從被調用直至執行完畢的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。其中局部變量表包括：

• Java 虛擬機基本數據類型（8 種）
• 對象引用（reference 類型，多是一個指向對象起始地址的指針）
• returnAddress

這些數據類型在局部變量表中的存儲空間以局部變量槽（Slot）表示，其中 long 和 double 佔用兩個槽，其餘類型佔用一個槽。局部變量表所需內存空間在編譯期完成分配，當進入一個方法時，該方法須要在棧幀中分配多大的局部變量空間是徹底肯定的，運行期間不會改變其大小。

虛擬機棧的特色：

• 線程私有；

• 生命週期與線程相同；

• 兩類異常

• • 線程請求的棧深度大於虛擬機所容許的深度時拋出 StackOverflowError 異常；
    • 棧擴展時沒法申請到足夠的內存時拋出 OutOfMemoryError 異常。

主要目的：Java 方法執行的線程內存模型。

2.3 本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與 Java 虛擬機棧做用相似。兩者區別：

• Java 虛擬機棧爲 JVM 執行 Java 方法（字節碼）服務；
• 本地方法棧爲 JVM 使用到的本地（Native）方法服務。

異常與 Java 虛擬機棧相同。

主要目的：Native 方法執行的線程內存模型。

2.4 Java 堆

對多數應用來講，Java 堆（Java Heap）是 JVM 管理的內存中最大的一塊。

惟一目的：存放對象實例（【幾乎全部】的對象實例都在這裏分配內存）。

《Java 虛擬機規範》描述：全部對象實例及數組都應在堆上分配。

而從實現角度看，因爲即便編譯技術（尤爲是逃逸分析技術的日漸強大），"棧上分配"等手段使得對象並不是徹底在堆上分配。

特色：

• 線程共享
• 虛擬機啓動時建立

PS: "新生代"、"老年代"、"Eden 區"等一系列對堆的區域劃分，只是部分垃圾收集器的一些共性或設計風格，而非虛擬機的固有內存佈局，更非《Java 虛擬機規範》的劃分。

將 Java 堆細分的目的只是爲了更好地回收內存，或者更快地分配內存。

2.5 方法區

方法區（Method Area）：用於存儲已被虛擬機加載的類型信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼緩存等數據，該區域也是線程共享的。又稱"非堆"。

與方法區聯繫密切的一個概念是"永久代"，下面簡要介紹。

• 永久代

"永久代（Permanent Generation）"，能夠理解爲 JDK 1.8 以前 HotSpot 虛擬機對《Java 虛擬機規範》中"方法區"的實現。從 JDK 1.六、1.7 到 1.8+，HotSpot 虛擬機的運行時數據區變遷示意圖以下：

HotSpot VM JDK 1.6 的運行時數據區示意圖以下：

JDK 1.7 中，將 1.6 中永久代的字符串常量池和靜態變量等移到了堆中，以下（虛線框表示已移除）：

而到了 JDK 1.8，則徹底廢棄了"永久代"，改用了在本地內存中實現的"元空間（Metaspace）"，將 JDK 1.7 中永久代剩餘的部分（主要是類型信息）移到了元空間，以下（虛線框表示已移除）：

從上面幾張圖能夠看出永久代和元空間的主要區別有如下兩點：

1. 存儲位置不一樣

2. 1. 永久代是 JVM 內存的一部分，元空間在本地內存中（JVM 內存以外）；
   2. 永久代使用不當可能致使 OOM，元空間通常不會。

3. 存儲內容不一樣：元空間存儲的是「類型信息」（即類的元信息），而永久代除了類型信息，還包括「字符串常量池」和「靜態變量」等（能夠理解爲元空間是永久代拆分出來的一部分）。

那麼問題來了：爲何要把永久代替換爲元空間呢？

緣由大概有如下幾點：

1. Oracle 收購了兩種 JVM：HotSpot VM 和 JRockit VM，而且想要將它們整合，但兩者方法區實現差別較大；
2. 字符串存在永久代中，容易出現性能問題和 OOM；
3. 類及方法的信息大小較難肯定，永久代大小難以肯定：過小易致使永久代溢出，太大則易致使老年代溢出（JVM 內存是有限的，此消彼長）；
4. 永久代會爲垃圾回收帶來沒必要要的複雜度，且回收效率較低（"性價比"低）。

2.6 運行時常量池

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。

Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述外信息，還有一項信息是常量池表（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各類字面量和符號引用，這部份內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。

相比於 Class 文件常量池的一個重要特性是「動態性」，運行期間也能夠將新的常量放入池中（例如 String 類的 intern() 方法）。

• 可能產生的異常：OutOfMemoryError。

2.7 直接內存

直接內存（Direct Memory）並不是虛擬機運行時數據區的一部分，也非《Java 虛擬機規範》定義的內存區域。但該部份內存被頻繁使用（例如 NIO），並且可能致使 OutOfMemoryError。

3. OOM異常實踐

3.0 操做系統及 JDK 版本

• 操做系統：macOS Mojave 10.14.5
• JDK 1.8

$ java -version
java version "1.8.0_191"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_191-b12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.191-b12, mixed mode)

• JDK 1.7

$ java -version
java version "1.7.0_80"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.7.0_80-b15)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 24.80-b11, mixed mode)

3.1 Java 堆溢出

• 示例代碼（JDK 1.8）

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

  static class OOMObject {
  }
}

• VM 參數

# 設置堆空間大小爲 20M
-Xms20m -Xmx20m
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

• 異常信息

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid39807.hprof ...
Heap dump file created [27773554 bytes in 0.342 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
  at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
  ...

3.2 虛擬機棧和本地方法棧溢出

• 示例代碼（JDK 1.8）

public class StackOverflowError {
  private int stackLength = 1;

  private void stackLeak() {
    stackLength++;
    stackLeak();
  }

  public static void main(String[] args) {
    JvmStackOverflow sof = new JvmStackOverflow();
    try {
      sof.stackLeak();
    } catch (Throwable ex) {
      // 注意這裏是 Throwable，而非 Exception （Error 不是 Exception）
      System.out.println("stack length: " + sof.stackLength);
      throw ex;
    }
  }
}

• VM參數

因爲 HotSpot 虛擬機不區分 Java 虛擬機棧和本地方法棧。所以 -Xoss 參數（設置本地方法棧大小）並無做用，棧空間只能由 -Xss 參數。

# Java 虛擬機棧大小
-Xss160K

• 異常信息

stack length: 772
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
  at com.jaxer.example.JvmStackOverflow.stackLeak(JvmStackOverflow.java:11)
  at com.jaxer.example.JvmStackOverflow.stackLeak(JvmStackOverflow.java:12)
  ...

3.3 方法區和運行時常量池溢出

3.3.1 字符串常量

• 示例代碼

public class RuntimeConstantPoolOOM {
  static String baseStr = "string";

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

JDK 1.8 參數及異常：

• VM 參數

# 最大堆空間爲 10M，永久代爲 10M （爲便於觀察，打印了啓動命令和 GC 信息）
-Xmx10m -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m 
-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintCommandLineFlags

• 異常信息

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10m; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10m; support was removed in 8.0
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
  at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)
  ...

JDK 1.7 參數及異常信息：

• VM 參數

# 設置永久代大小爲 10M
-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m

• 異常信息

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
  at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2367)
  ...

參考連接：http://www.javashuo.com/article/p-fdtgegxz-hk.html

3.3.2 類型信息

• 示例代碼

package com.jaxer.example.cglib;

public class OOMObject {
}

使用 CGLib 生成代碼：

public class PermGenOOM {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            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[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                        return methodProxy.invoke(o, objects);
                    }
                });
                enhancer.create();
            }
        } catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace();
        }
    }
}

JDK 1.8 參數及異常：

• VM 參數

# 設置元空間大小爲 10M
-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m

• 異常信息

java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
  at java.lang.Class.forName0(Native Method)
  at java.lang.Class.forName(Class.java:348)
  ...

JDK 1.7 參數及異常信息：

• VM 參數

# 設置永久代大小爲 10M
-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m -XX:+PrintGCDetails

• 異常信息

Exception in thread "main" 
Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"

此處的異常沒法被捕獲，Debug 模式斷點以下：

能夠看到，這裏實際仍是永久代（PermGen space）OOM 異常。

3.4 本機直接內存溢出

• 示例代碼（JDK 1.8）

public class DirectMemoryOOM {
  private static final int _1M = 2014 * 1024;

  public static void main(String[] args) {
        List<ByteBuffer> list = new ArrayList<>();
    while (true) {
      ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(_1M); // java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
//      ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(_1M); // java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
      list.add(buffer);
    }
  }
}

• VM 參數

# 設置堆內存最大爲 20M，直接內存最大爲 10M
-Xmx20m -XX:MaxDirectMemorySize=10m

• 異常信息

java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

4. 小結

本文主要分析了《Java 虛擬機規範》中規定的 Java 虛擬機管理的運行時內存區域，並以 HotSpot 虛擬機爲例，分析了 JDK 1.7 和 1.8 內存溢出的狀況。主要內容總結以下圖：

PS: 一些虛擬機參數以下

# 設置堆空間大小
-Xms20m -Xmx20m

# 設置虛擬機棧空間大小
-Xss160K

# 設置永久代大小
-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m

# 設置元空間大小
-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m

# 打印 GC 日誌
-XX:+PrintGCDetails

# 打印命令行參數
-XX:+PrintCommandLineFlags

# 堆棧信息
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError