JVM笔记-运行时内存区域划分

2019/04/10 10:10
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1. 概述

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。它们各有用途,有些随着虚拟机进程的启动一直存在(堆、方法区),有些则随着用户线程的启动和结束而建立和销毁(程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈)。

《Java 虚拟机规范》中规定 Java 虚拟机管理的内存包括以下几个区域:

<div align=center> <img src="https://img2020.cnblogs.com/blog/704364/202003/704364-20200316212720386-310408564.png" width="640"> </div>

下面简要分析各个区域的特点。

2. JVM 运行时内存区域

2.1 程序计数器

程序计数器(Program Counter Register),可以看做当前线程所执行的字节码的行号指示器(其实就是记录代码执行到了哪里)。特点如下:

  • 线程私有;
  • 占用内存空间较小;
  • 若线程执行的是 Java 方法,记录的是虚拟机字节码指令地址;若执行的是本地(Native)方法,则为空(Undefined);
  • 该区域是唯一一个在《Java 虚拟机规范》中规定无任何 OutOfMemoryError 的区域。

主要作用:记录线程执行到了哪里。

2.2 Java 虚拟机栈

Java 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks):Java 方法执行的线程内存模型。

每个方法被执行时,虚拟机栈都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每个方法从被调用直至执行完毕的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。其中局部变量表包括:

  • Java 虚拟机基本数据类型(8 种)
  • 对象引用(reference 类型,可能是一个指向对象起始地址的指针)
  • returnAddress

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽(Slot)表示,其中 long 和 double 占用两个槽,其他类型占用一个槽。局部变量表所需内存空间在编译期完成分配,当进入一个方法时,该方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,运行期间不会改变其大小。

虚拟机栈的特点:

  • 线程私有;

  • 生命周期与线程相同;

  • 两类异常

    • 线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时抛出 StackOverflowError 异常;
      • 栈扩展时无法申请到足够的内存时抛出 OutOfMemoryError 异常。

主要目的:Java 方法执行的线程内存模型。

2.3 本地方法栈

本地方法栈(Native Method Stacks)与 Java 虚拟机栈作用类似。二者区别:

  • Java 虚拟机栈为 JVM 执行 Java 方法(字节码)服务;
  • 本地方法栈为 JVM 使用到的本地(Native)方法服务。

异常与 Java 虚拟机栈相同。

主要目的:Native 方法执行的线程内存模型。

2.4 Java 堆

对多数应用来说,Java 堆(Java Heap)是 JVM 管理的内存中最大的一块。

唯一目的:存放对象实例(【几乎所有】的对象实例都在这里分配内存)。

《Java 虚拟机规范》描述:所有对象实例及数组都应在堆上分配。

而从实现角度看,由于即使编译技术(尤其是逃逸分析技术的日渐强大),"栈上分配"等手段使得对象并非完全在堆上分配。

特点:

  • 线程共享
  • 虚拟机启动时创建

PS: "新生代"、"老年代"、"Eden 区"等一系列对堆的区域划分,只是部分垃圾收集器的一些共性或设计风格,而非虚拟机的固有内存布局,更非《Java 虚拟机规范》的划分。

将 Java 堆细分的目的只是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。

2.5 方法区

方法区(Method Area):用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据,该区域也是线程共享的。又称"非堆"。

与方法区联系密切的一个概念是"永久代",下面简要介绍。

  • 永久代

"永久代(Permanent Generation)",可以理解为 JDK 1.8 之前 HotSpot 虚拟机对《Java 虚拟机规范》中"方法区"的实现。从 JDK 1.6、1.7 到 1.8+,HotSpot 虚拟机的运行时数据区变迁示意图如下:

HotSpot VM JDK 1.6 的运行时数据区示意图如下:

<div align=center> <img src="https://img2020.cnblogs.com/blog/704364/202003/704364-20200316212738783-792345356.png" width="640"> </div>

JDK 1.7 中,将 1.6 中永久代的字符串常量池和静态变量等移到了堆中,如下(虚线框表示已移除):

<div align=center> <img src="https://img2020.cnblogs.com/blog/704364/202003/704364-20200316212803605-980289962.png" width="640"> </div>

而到了 JDK 1.8,则完全废弃了"永久代",改用了在本地内存中实现的"元空间(Metaspace)",将 JDK 1.7 中永久代剩余的部分(主要是类型信息)移到了元空间,如下(虚线框表示已移除):

<div align=center> <img src="https://img2020.cnblogs.com/blog/704364/202003/704364-20200316212823309-1310465228.png" width="640"> </div>

从上面几张图可以看出永久代和元空间的主要区别有以下两点:

  1. 存储位置不同

    1. 永久代是 JVM 内存的一部分,元空间在本地内存中(JVM 内存之外);
    2. 永久代使用不当可能导致 OOM,元空间一般不会。
  2. 存储内容不同:元空间存储的是「类型信息」(即类的元信息),而永久代除了类型信息,还包括「字符串常量池」和「静态变量」等(可以理解为元空间是永久代拆分出来的一部分)。

那么问题来了:为什么要把永久代替换为元空间呢?

原因大概有以下几点:

  1. Oracle 收购了两种 JVM:HotSpot VM 和 JRockit VM,并且想要将它们整合,但二者方法区实现差异较大;
  2. 字符串存在永久代中,容易出现性能问题和 OOM;
  3. 类及方法的信息大小较难确定,永久代大小难以确定:太小易导致永久代溢出,太大则易导致老年代溢出(JVM 内存是有限的,此消彼长);
  4. 永久代会为垃圾回收带来不必要的复杂度,且回收效率较低("性价比"低)。

2.6 运行时常量池

运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。

Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述外信息,还有一项信息是常量池表(Constant Pool Table),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时常量池中存放。

相比于 Class 文件常量池的一个重要特性是「动态性」,运行期间也可以将新的常量放入池中(例如 String 类的 intern() 方法)。

  • 可能产生的异常:OutOfMemoryError。

2.7 直接内存

直接内存(Direct Memory)并非虚拟机运行时数据区的一部分,也非《Java 虚拟机规范》定义的内存区域。但该部分内存被频繁使用(例如 NIO),而且可能导致 OutOfMemoryError。

3. OOM异常实践

3.0 操作系统及 JDK 版本

  • 操作系统: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

  • 示例代码(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 参数
# 设置堆空间大小为 20M
-Xms20m -Xmx20m
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
  • 异常信息
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 虚拟机栈和本地方法栈溢出

  • 示例代码(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) {
      // 注意这里是 Throwable,而非 Exception (Error 不是 Exception)
      System.out.println("stack length: " + sof.stackLength);
      throw ex;
    }
  }
}
  • VM参数

由于 HotSpot 虚拟机不区分 Java 虚拟机栈和本地方法栈。因此 -Xoss 参数(设置本地方法栈大小)并没有作用,栈空间只能由 -Xss 参数。

# Java 虚拟机栈大小
-Xss160K
  • 异常信息
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 方法区和运行时常量池溢出

3.3.1 字符串常量

  • 示例代码
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 参数及异常:

  • VM 参数
# 最大堆空间为 10M,永久代为 10M (为便于观察,打印了启动命令和 GC 信息)
-Xmx10m -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m 
-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintCommandLineFlags
  • 异常信息
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 参数及异常信息:

  • VM 参数
# 设置永久代大小为 10M
-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m
  • 异常信息
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
  at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2367)
  ...

参考链接:https://www.cnblogs.com/paddix/p/5309550.html

3.3.2 类型信息

  • 示例代码
package com.jaxer.example.cglib;

public class OOMObject {
}

使用 CGLib 生成代码:

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 参数及异常:

  • VM 参数
# 设置元空间大小为 10M
-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
  • 异常信息
java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
  at java.lang.Class.forName0(Native Method)
  at java.lang.Class.forName(Class.java:348)
  ...

JDK 1.7 参数及异常信息:

  • VM 参数
# 设置永久代大小为 10M
-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m -XX:+PrintGCDetails
  • 异常信息
Exception in thread "main" 
Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"

此处的异常无法被捕获,Debug 模式断点如下:

<div align=center> <img src="https://img2020.cnblogs.com/blog/704364/202003/704364-20200316212847916-2077890857.png" width="640"> </div>

可以看到,这里实际还是永久代(PermGen space)OOM 异常。

3.4 本机直接内存溢出

  • 示例代码(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 参数
# 设置堆内存最大为 20M,直接内存最大为 10M
-Xmx20m -XX:MaxDirectMemorySize=10m
  • 异常信息
java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

4. 小结

本文主要分析了《Java 虚拟机规范》中规定的 Java 虚拟机管理的运行时内存区域,并以 HotSpot 虚拟机为例,分析了 JDK 1.7 和 1.8 内存溢出的情况。主要内容总结如下图:

PS: 一些虚拟机参数如下

# 设置堆空间大小
-Xms20m -Xmx20m

# 设置虚拟机栈空间大小
-Xss160K

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

# 设置元空间大小
-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m

# 打印 GC 日志
-XX:+PrintGCDetails

# 打印命令行参数
-XX:+PrintCommandLineFlags

# 堆栈信息
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

<div align=center> <img src="https://img2020.cnblogs.com/blog/704364/202003/704364-20200316212935682-1323534676.png" width="480"> </div>

原文出处:https://www.cnblogs.com/jaxer/p/12506953.html

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