荐 Java虚拟机之Java内存区域与内存溢出异常

java虚拟机运行时数据区域

• 程序计数器：是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。此内存区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
• Java虚拟机栈：它的生命周期与线程相同，虚拟机栈描述的是java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部表量表、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，就对应者一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。这个区域规定两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出*Error异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。
• 本地方法栈：与虚拟机栈作用类似，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。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出*异常和OutOfMemoryError异常。
• Java堆：是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。线程共享的内存区域，是垃圾收集器管理的主要区域，Java堆可细分为：新生代（Eden空间、From Survivor空间和To Survivor空间）和老年代。Java堆可以实现成固定大小的，也可以是连续扩展的，当前主流虚拟机都是安装可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆页无法在扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
• 方法区：线程共享的内存区域，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。当方法区无法满足内存分配需求时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
• 运行时常量池：是方法区的一部分。用于存放编译期生成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是常量池中存放。既然是方法区的一部分，当常量池无法申请到内存时将会抛出OutOfMemoryError异常。
• 直接内存：并不是虚拟机运行时区域的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。也可能导致OutOfMemoryError异常。

HotSpot虚拟机对象探秘

对象的创建

• 虚拟机遇到一条new指令时，首先将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程。
• 在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。有两种内存分配方式：指针碰撞（内存绝对规则）和空闲列表（内存不规整）。选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，Java堆是否规整又由所采用的垃圾回收器是否带有压缩整理功能决定的。
• 内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值。接下来将一些信息存储到对象头中。
  上面工作完成后，从虚拟机视角来看，一个新的对象已产生，从Java程序视角来看，对象创建才刚刚开始——方法还没有执行，所有字段都还为零。

对象的内存布局

对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据和对齐填充。

• 对象头：包括两部分数据，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、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，官方称它为“Mark Word”。另一部分是类型指针，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。

存储内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	膨胀（重量级锁定）
空，不需要记录信息	11	GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向

• 实例数据：是对象真正存储的有效信息，也是程序代码中所定义的各种类型的字段内容。
• 对齐填充：并不是必然存在的，仅仅起着占位符的作用。

对象的访问定位

目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

• 句柄访问对象

• 直接指针访问对象
  
  使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移到（垃圾回收时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。
  使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销。

实战：OutOfMemoryError异常

Java堆溢出

/**
 * @author: chuxy
 * @Date: 2020-7-6
 * @Description: 堆大小限制20MB,不可扩展。
 * 通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后分析
 * VM Args:VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 */
public class HeapOOM {
    static class OOMObject{

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

}

运行结果：

虚拟机栈和本地方法栈溢出

• 线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将会抛出*Error异常

/**
 * @author: chuxy
 * @Date: 2020-7-6
 * @Description: 线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将会抛出*Error异常
 * VM Args:-Xss128k
 */
public class JavaVMStackSOF {
    private  int stackLength = 1;

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

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackSOF sof = new JavaVMStackSOF();
        try {
            sof.stackLeak();
        }catch (Throwable e){
            System.out.println("stack length:"+sof.stackLength);
            throw e;
        }

    }
}

运行结果：

• 虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，将会抛出OutOfMemoryError异常

/**
 * @author: chuxy
 * @Date: 2020-7-6
 * @Description: 虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，将会抛出OutOfMemoryError异常
 * VM Args:-Xss2M
 */
public class JavaVMStackOOM {
    private void dontStop(){
        while (true){
        }
    }

    public void stackLeakByThread(){
        while (true){
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}

Java线程是映射到操作系统内核线程上的，上述代码执行时会有较大的风险，可能会造成系统假死。
运行结果：Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError:unable to create new native thread

方法区和运行时常量池溢出

• 运行时常量池导致内存溢出异常（适用JDK1.6及之前）

在JDK1.6中，intern()方法会将首次遇到的字符串实例复制到永久代中，返回的也是永久代中字符串的引用，而JDK1.7的intern()实现不会再复制实例，只是在常量池中记录首次出现实例引用，返回的也是实例引用。

/**
 * @author: chuxy
 * @Date: 2020-7-6
 * @Description: JDK1.6及之前常量池在永久代内,JDK1.6之前会出现“PermGen space”OutOfMemoryError
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class RuntimeConstantPollOOM {
    public static void main(String[] args) {
        //使用List保持常量池的引用，避免Full GC回收常量池行为
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        //10MB的PermSize在integer范围内足够产生OOM
        int i = 0;
        while (true){
            list.add(String.valueOf(i).intern());
        }
    }
}

• 借助CGLib使方法区出现内存溢出异常

/**
 * @author: chuxy
 * @Date: 2020-7-6
 * @Description:
 * VM Args:-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * VM Args:-XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M JDK1.8 hotspot移除了永久代用元空间(Metaspace)取而代之
 */
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();
        }
    }
}

运行结果：

本地直接内存溢出

由DirectMemory导致的内存异常溢出，一个明显特征是在Heap Dump文件中不会看到明显的异常

/**
 * @author: chuxy
 * @Date: 2020-7-6
 * @Description: 本机直接内存溢出
 * VM Args:-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 */
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);
        }
    }
}

运行结果：

本文地址：https://blog.csdn.net/weixin_42573367/article/details/107140019