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JVM 各区域的用途以及潜在出现异常的示例

程序计数器

用于给字节码解释器来选取吓一跳需要执行的字节码指令。每个线程有一个独立的程序计数器去,且各个线程之间互不影响。如果线程正在执行一个Java方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的内存地址;如果执行的是Native方法。在计数器为Undefined。此区域是JVM规范中唯一一个不存在OOM的区域

java虚拟机运行时数据区划分,java虚拟机

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澳门新葡萄京官网首页,作用:当前线程所执行的字节码的行号指示器。
在虚拟机的概念模型里,字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
注:如果线程正在执行一个java方法,计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Native方法,这个计数器值为空。此内存区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有定义任何OutOfMemoryError情况的区域。

  1. Java虚拟机栈

生命周期与线程相同,描述Java方法执行的内存模型:每个方法被执行时同时创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法都被调用直至执行完成的过程,就对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
在Java虚拟机规范中,这个区域规定了两种异常状况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出StackOverflowError异常;如果虚拟机栈可以动态扩展,当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

  1. 本地方法栈

与虚拟机栈发挥的作用非常相似,区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务,本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。
抛异常情况同上。

  1. Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。在虚拟机启动时创建,此内存区域的唯一目的就是存放对象实例。
    堆是垃圾收集器管理的主要区域,从内存回收的角度看,由于现在收集器基本都采用的分代收集算法,所以Java堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有Eden空间、From
    Survivor空间、To Survivor空间等。
    Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上连续的即可。

  2. 方法区

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。
题外:运行时常量池
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存放到方法区的运行时常量池中。

堆的最小值 -Xms
最大值-Xmx
最大方法区容量 MaxPermSize
方法区大小的参数 -XX:PermSize
-XX:MaxPermSize

本机直接内存容量可通过-XX:MaxDirectMemorySize指定,如果不指定,则默认与Java堆的最大值(-Xmx指定)一样。

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作用:当前线程所执行的字节码的行号指示器。
在虚拟机的概念模型里,字节码解释器工…

2.1概述

讲解内存各个区域的作用、服务对象以及其中可能产生的问题

虚拟机栈(局部变量空间)

存放编译器可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象应用(reference)。64位的double、long占用2个槽。内存空间在编译期间就能确定,当进入一个方式时,这个方法需要分配的局部变量空间是完全确定的,通过-Xss设置内存容量

异常状况:

StackOverflowError 栈深度大于虚拟机所允许的深度

OOM
如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分Java虚拟机都可以动态扩展,只不过Java虚拟机规范中的也允许固定长度的虚拟机栈),如果扩展是无法申请到足够的内存

在单个线程下,无论是犹豫栈帧太大还是虚拟机栈容量太小,当内存无法分配的时候,虚拟机抛出的都是StackOverflowError

/**
* VM Args:-Xss128k
* 
* stack length:2402 Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
*/
public class JavaVMStackSOF {

private int stackLength = 1;

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

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

如果测试时不限于单线程,通过不断的建立线程的方式到是可以产生内存溢出的异常。但是这样产生的内存溢出异常与占空间是否足够大并不存在任何联系,或者准确的说,在这种情况下,为每个线程的栈分配的内存越大,反而越容易产生内存溢出的异常。

因为操作系统分配给每个进程的内存是有限制的,譬如32的window限制为2GB。此测试是通过创建大量的线程。每个线程占用栈内存分配大量的内存,导致系统没有足够的内存。使其不能自动扩展

/**
 * VM Args:-Xss2M (这时候不妨设大些)
 *
 * java.lang.OutOfMemoryError:unable to create new native thread
 */
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) throws Throwable {
              JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
              oom.stackLeakByThread();
       }
}

2.2运行时数据区

本地方法栈

跟虚拟机栈类似,只是一个是虚拟机执行Java方法,一个是执行Native方法

异常状况:

StackOverflowError 栈深度大于虚拟机所允许的深度

OOM

2.2.1程序计数器

当前线程所执行的字节码的行号显示器

每个线程都有独立的程序计数器,既线程私有

线程执行Java方法,计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址

线程执行Native方法,计数器值为空

唯一一个在Java虚拟机规范中没有OutOfMemoryError情况的区域

Java堆

线程共享的一块内存区域,从内存回收角度来看,基本都采用分代收集算法,所以分为新生代、老年代。再细致一点可以分为Eden空间、From
Survivor空间、To Survivor空间等。-Xmx -Xms控制堆空间大小

异常状况:

1.OOM 堆无法扩展时

/**
 * VM Args:-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * 
 * java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
 */
public class HeapOOM {

    static class OOMObject {
    }

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

        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

2.2.2Java栈

线程私有,生命周期和线程相同

Java方法执行的内存模型,每个方法在执行的同时会创建一个栈帧,用于存储局部变量表,操作数栈,动态链接,方法出口等信息,方法调用到完成的过程,对应着一个栈帧在虚拟机栈中的入栈到出栈的过程

局部变量表

编译期可知的各种数据类型

对象引用

returnAddress类型:指向一条字节码指令的地址

64位长度的long和double占两个局部变量空间

内存空间在编译器分配完成

两种异常:StackOverflowError:线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度;OutOfMemoryError:动态扩展时无法申请到足够的内存

方法区

线程间共享。存储已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编辑器编译后的代码等数据,在HotSpot虚拟机中可以称为永生代。

运行时常量在1.6及之前是方法区的一部分(String.intern()动态加入常量池)
-XX:MaxPermSize控制大小。在JDK1.7及之后的版本是在Java堆中开辟的一块内存

异常状况:

OOM

/**
* 需要在JDK1.6上才能复现,JDK1.7及之后版本的JVM已经将运行时常量池从方法区中移了出来,在Java 堆(Heap)中开辟了一块区域存放运行时常量池。
* 在JDK1.7上运行的效果则会一直执行,直到堆内存使用完毕
* VM Args:-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M 
*
* java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space
*/
public class RuntimeConstantPoolOOM {

public static void main(String[] args) {
    // 使用List保持着常量池引用,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了
    int i = 0;
    while (true) {
        list.add(String.valueOf(i++).intern());
    }
}
}

/**
* VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
* java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space
* 一直创建动态类
*/
public class JavaMethodAreaOOM {

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 obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
                return proxy.invokeSuper(obj, args);
            }
        });
        enhancer.create();
    }
}

static class OOMObject {

}
}

2.2.3本地方法栈

使用native方法服务

也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError

直接内存(不属于虚拟机运行时的数据区的一部分)

NIO可以使用Native函数库直接分配对外的内存,然后通过存储在Java对中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。受限于机器物理内存,可以通过-XX:MaxDirectMemorySize制定,如果不制定,默认与Java堆最大值(-Xmx)一样

异常状况:

1.OOM

/**
 * VM Args:-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 * 
 * java.lang.OutOfMemoryError
 */
public class DirectMemoryOOM {

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeField.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
        while (true) {
            unsafe.allocateMemory(_1MB);
        }
    }
}

2.2.4 Java堆

被所有线程共享,虚拟机启动的时候创建

唯一目的是存放对象实例

垃圾收集器管理的主要区域

划分:更好的回收内存或分配内存【新生代(Eden、From Survivor、To
Survivor)】【老年代】

可物理上不连续,逻辑上连续

2.2.5方法区

各个内存共享

存放被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译的代码等

2.2.6运行时常量池

方法区的一部分

Class文件中的常量池,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,类加载后进入常量池存放

运行期间也可以将新的常量放入常量池 String 的 intern()方法

2.2.7直接内存

使用Native函数库直接分配堆外内存,通过一个存储在JAVA堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存区域的引用直接操作

2.3HotSpot虚拟机对象探秘

堆中对象的创建、布局和访问的全过程

2.3.1对象的创建

虚拟机遇到New指令

首先检查指令的参数能否在常量池中定位到一个类的符号引用

检查这个符号引用对应的类是否已被加载、解析、初始化过

没有加载,则需要先加载

为新生对象分配内存区域(指针碰撞&空闲列表)

线程安全(方案1:对分配内存空间的动作同步;方案2:本地线程分配缓冲
TLAB)

对对象进行必要的设置

调用init方法

2.3.2对象的内存布局

对象头(存放对象自身的运行时数据&类型指针)

实例数据

对齐填充

2.3.3对象的访问定位

句柄访问

直接指针

2.4实战:OutOfMemoryError异常

2.4.1 JAVA堆溢出

将堆的最小值-Xms和最大值-Xmx设置相同可避免堆自动扩展

出现内存溢出时内存堆转储快照打印:设置-XX:HeapDumpOnOutOfMemory

分析快照,对象是否必要?

内存溢出:指程序在申请内存时,没有足够的内存空间供其使用。检查堆大小;检查对象生命周期、对象状态过长的情况

内存泄露:指程序在申请内存后,无法释放已申请的内存空间。分析泄露对象到GC
Root的引用链

*
*

2.4.2虚拟机栈和本地方法栈溢出

栈容量由-Xss设定

减少线程数

更换64位虚拟机

减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程

2.4.3方法区和运行时常量池溢出

2.4.4本机直接内存溢出

*
*

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参考文献:

[1] 深入理解Java虚拟机 第二版 –周志明


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