每篇一葉

前言

上一回我們了解了java的歷史背景和JVM的一些版本殿漠，這次我們要探索java的內(nèi)存區(qū)域和內(nèi)存溢出。
java和C++之間有一睹由內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配和垃圾收集技術(shù)所圍成的高墻佩捞，墻外面的人想進(jìn)去，墻里面的人卻想出來(lái)蕾哟。java程序員將內(nèi)存控制的權(quán)力交給了java虛擬機(jī)一忱，一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄露和溢出方面的問(wèn)題莲蜘，如果不了解虛擬機(jī)是怎樣使用內(nèi)存的，那么排查錯(cuò)誤將會(huì)成為一項(xiàng)異常艱難的工作帘营。

jdk1.8以前的數(shù)據(jù)模型

基本概念

• 程序計(jì)數(shù)器
  線程隔離票渠，一塊較小的內(nèi)存空間，當(dāng)前程序所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器芬迄。唯一一個(gè)在java虛擬機(jī)規(guī)范中沒有指定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域
• java虛擬機(jī)棧
  線程隔離问顷，生命周期和線程相同，每個(gè)方法執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)棧幀用于存儲(chǔ)局部變量表禀梳、操作數(shù)棧杜窄、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息算途。
  • 局部變量表存放編譯器可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean塞耕、byte、char嘴瓤、short扫外、int、float廓脆、long筛谚、double），對(duì)象的引用（reference類型停忿，不等同與對(duì)象本身刻获，有可能是指向起始地址的引用指針，也可能是一個(gè)代表對(duì)象的句柄活其他與對(duì)象相關(guān)的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）
    會(huì)出現(xiàn)的異常情況： StackOverflowError瞎嬉，線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度蝎毡；OutOfMemoryError，虛擬機(jī)椦踉妫可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展沐兵，擴(kuò)展無(wú)法申請(qǐng)到足夠內(nèi)存。
• 本地方法棧
  線程隔離便监，虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)指向java方法服務(wù)扎谎，本地方法棧為虛擬機(jī)提供Native方法服務(wù)。Sun HotSpot虛擬機(jī)直接將本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一烧董。
• java堆
  線程內(nèi)存共享毁靶。虛擬機(jī)所管理內(nèi)存中最大的一塊，所有線程共享逊移。虛擬機(jī)規(guī)范中描述:所有對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配预吆。JIT編譯器的發(fā)展后這個(gè)也不是絕對(duì)了GC的主要區(qū)域。收集器基本上采用分代收集算法-->java堆分為新生代和老年代胳泉。
• 方法區(qū)
  線程內(nèi)存共享拐叉。存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息岩遗、常量、靜態(tài)變量凤瘦、即時(shí)編譯器編譯的代碼等數(shù)據(jù)宿礁，java虛擬機(jī)任務(wù)是堆的一個(gè)邏輯部分，但是別名為非堆蔬芥。有人稱為永久代梆靖，其實(shí)并不等價(jià)，只是HotSopt虛擬機(jī)將GC分代收集擴(kuò)展到了方法區(qū)笔诵，其他虛擬機(jī)并不存在永久代的概率返吻。目前JDK1.7的HotSpot中已經(jīng)將原本放在永久代的字符串常量池移出。JDK1.8剔除了永久代嗤放，取而代之的是元數(shù)據(jù)區(qū)（也稱為元空間）思喊。元數(shù)據(jù)區(qū)不屬于JVM內(nèi)存的一部分，它直接存儲(chǔ)于本機(jī)內(nèi)存次酌，而將常量池移到了堆中恨课。
• 運(yùn)行時(shí)常量池
  線程內(nèi)存共享。方法區(qū)的一部分
• 直接內(nèi)存
  并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分岳服，也不是java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域剂公。但這部分內(nèi)存也被頻繁使用。JDK1.4映入NIO吊宋，基于通道與緩沖區(qū)的I/O方式纲辽。利用Native函數(shù)庫(kù)直接分配堆外內(nèi)存，然后通過(guò)一個(gè)存儲(chǔ)在java堆中的DirectByteBuffer對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作璃搜。這樣能在一些場(chǎng)景中顯著提高性能拖吼，避免java堆和Natie堆中來(lái)回復(fù)制數(shù)據(jù)。

jdk1.8內(nèi)存模型

題目

以下結(jié)果在jdk1.6和jdk1.8中的結(jié)果

        String str2 = new String("str")+new String("01");
        str2.intern();
        String str1 = "str01";
        System.out.println(str2==str1);

jdk1.6:false
jdk1.8:true
分析原因：
intern()方法是當(dāng)調(diào)用 intern 方法時(shí)这吻，如果池已經(jīng)包含一個(gè)等于此 `String` 對(duì)象的字符串吊档，則返回池中的字符串。否則唾糯，將此 `String` 對(duì)象添加到池中怠硼，并返回此 `String` 對(duì)象的引用。

jdk1.6中常量池在永久代移怯，如果字符串在常量池中找不到會(huì)將字符串拷貝到常量池中,如果str2.intern();替換成str2=str2.intern();這個(gè)時(shí)候str2代表的是對(duì)象的引用香璃，則結(jié)果就是true了。
 jdk1.8中常量池已經(jīng)移到了堆中舟误，如果字符串在常量池中找不到不再拷貝到常量池中葡秒，而會(huì)重新生成一個(gè)對(duì)原字符串的引用

補(bǔ)充概念

JVM內(nèi)存區(qū)域劃分Eden Space、Survivor Space、Tenured Gen同云，Perm Gen解釋

• Eden Space 伊甸園（新生的對(duì)象）
• Survivor Space 幸存者區(qū)
• Tenured Gen 老年代-養(yǎng)老區(qū)
• Perm Gen 永久代

HotSpot 虛擬機(jī)在java堆中對(duì)象分配糖权、布局和訪問(wèn)的全過(guò)程堵腹。

HotSpot 虛擬機(jī)在java堆中對(duì)象分配炸站、布局和訪問(wèn)的全過(guò)程

• 對(duì)象的分配

1. new指令--檢查指令參數(shù)是否能在常量池中定位到類的符號(hào)引用，檢查這個(gè)符號(hào)代表的類是否已經(jīng)加載疚顷、解析旱易，初始化，沒有腿堤，執(zhí)行類加載過(guò)程
2. 類加載檢查通過(guò)--為新生對(duì)象分配內(nèi)存--
   1. 堆內(nèi)存絕對(duì)規(guī)整阀坏，指針碰撞分配方式，用過(guò)的內(nèi)存放一邊笆檀，空閑內(nèi)存放一邊忌堂，中間放一個(gè)指針作為分界點(diǎn)指示器。
   2. 堆內(nèi)存不規(guī)整酗洒∈啃蓿空閑列表分配方式。
3. 具體采用什么分配方式取決于java堆是否規(guī)整樱衷。java堆是否規(guī)準(zhǔn)由采取的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定棋嘲。
   1. Serial、ParNew等帶Compact過(guò)程的收集器矩桂，分配采用指針碰撞分配
   2. 使用CMS這種基于Mark-Sweep算法的收集器通常采用空閑列表沸移。
4. 分配內(nèi)存并發(fā)情況，
   1. 動(dòng)作同步處理侄榴，虛擬機(jī)采用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性雹锣。
   2. 內(nèi)存分配按照線程劃分在不同的空間進(jìn)行。即每個(gè)線程在java堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存癞蚕，本地線程分配緩沖（TLAB）蕊爵，哪個(gè)線程需要分配內(nèi)存就在哪個(gè)線程的TLAB傷分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB時(shí)涣达，才需要同步鎖定在辆。
5. 內(nèi)存分配完后，虛擬機(jī)將分配的內(nèi)存空間初始化為零值度苔。使用TLAB匆篓，在TLAB分配時(shí)就直接進(jìn)行這步。保證對(duì)象實(shí)例字段在java代碼中不賦值就能直接使用寇窑。
6. 設(shè)置對(duì)象鸦概。對(duì)象所屬哪個(gè)類的實(shí)例，如何查找類的元數(shù)據(jù)信息，對(duì)象的哈希碼窗市，對(duì)象的GC分代年齡等先慷，這些信息存放在對(duì)象頭中。
7. 上面完成后咨察，虛擬機(jī)視角砍艾，一個(gè)新對(duì)象已經(jīng)產(chǎn)生了纬乍，java程序視角，創(chuàng)建才剛剛開始，init還沒執(zhí)行剑肯，所有字段還為零宁炫。

• 對(duì)象的訪問(wèn)

  
  
  通過(guò)句柄訪問(wèn)對(duì)象

通過(guò)指針訪問(wèn)對(duì)象

建立對(duì)象-->使用對(duì)象暴备。java程序通過(guò)棧上的reference數(shù)據(jù)來(lái)操作堆上的具體對(duì)象围小。java虛擬機(jī)規(guī)范規(guī)定reference類型指向一個(gè)對(duì)象。
句柄好處：reference中存儲(chǔ)的是句柄地址酣衷，在對(duì)象唄移動(dòng)時(shí)只會(huì)改變句柄中的實(shí)例指針交惯，而reference本身不修改
指針好處：速度更快，節(jié)省了一次指針定位的時(shí)間開銷穿仪。就Sun HotSpot而言席爽，它是使用第二種方式進(jìn)行對(duì)象訪問(wèn)的。但從整個(gè)軟件開發(fā)范圍來(lái)看牡借，句柄訪問(wèn)的情況也十分常見拳昌。

1. 句柄。reference存儲(chǔ)句柄地址钠龙。句柄中包含對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)與類型數(shù)據(jù)各自的具體地址
2. 指針炬藤。java堆對(duì)象中必須考慮放置訪問(wèn)類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。reference中存儲(chǔ)的是對(duì)象地址碴里。

實(shí)戰(zhàn)OutOfMemoryError

先設(shè)置VM args -verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8

1. 堆內(nèi)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());
        }
    }
}

異常信息

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. 虛擬機(jī)棧和本地方法棧溢出

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;
}

}
}

異常信息

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. 方法區(qū)和運(yùn)行時(shí)常量池溢出

/**
* 方法區(qū)和運(yùn)行時(shí)常量池溢出
* String.intern()是一個(gè)native方法沈矿，在字符串常量池有則直接返回，沒有則添加到常量池中
* JDK1.6及以前版本常量池在永久代內(nèi)咬腋，通過(guò)-XX:PermSize和-XX：MaxPermSize限制方法區(qū)大小羹膳，
*報(bào)錯(cuò)java.lang.outofmemoryerror:PermGen space
* 從而限制常量池容量
* 而JDK1.7后不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，會(huì)一直執(zhí)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());
}
}
}

/**
* 方法區(qū)內(nèi)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以上版本存在差異根竿，以下代碼運(yùn)行結(jié)果不一致

public class RunntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = new StringBuffer().append("計(jì)算機(jī)").append("軟件").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);
        String str2 = new StringBuffer().append("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }
}

jdk1.6結(jié)果

false
false

jdk1.8結(jié)果

true
false

出現(xiàn)差異原因：String.intern()是一個(gè)Native方法陵像，作用：jdk1.6及以前版本,如果字符串常量池已經(jīng)包含一個(gè)等于此String對(duì)象的字符串，則返回代表池中這個(gè)字符串的String對(duì)象否則寇壳，將String對(duì)象包含的字符串添加到常量池中醒颖，并返回此String對(duì)象的引用，而new StringBuffer()對(duì)象存放在堆中壳炎，很明顯返回false泞歉。jdk1.7后intern()方法不會(huì)再?gòu)?fù)制實(shí)例，只是在常量池中記錄首次出現(xiàn)的實(shí)例引用，由于“java”之前就出現(xiàn)腰耙，不符合首次首先榛丢，所以返回false，“計(jì)算機(jī)軟件”首次出現(xiàn)挺庞，則返回true

4. 本機(jī)直接內(nèi)存溢出

/**
* 本機(jī)直接內(nèi)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);
}

}
}

異常信息

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：文中流程圖為原創(chuàng)晰赞，代碼來(lái)源周志明《java虛擬機(jī) Jvm高級(jí)特性和最佳實(shí)現(xiàn)》，代碼結(jié)果在idea上驗(yàn)證過(guò)挠阁。