Java
Java虚拟机

Java虚拟机01——Java内存数据区域和内存溢出异常

简介:Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

1. 运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范(Java SE 7版)》的规定,Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域,如下图所示:

1.运行时数据区域.png

我们可以将上面的数据区域分为线程独有、线程共享及其他三大区域:

1.1. 线程独有的数据区域

  1. 程序计数器(Program Counter Register)

    • 当前线程所执行的字节码的行号指示器。
    • 用于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、线程恢复需要依赖这个计数器。
    • 每条线程都需要有一个独立的程序计数器,位于线程私有的内存中。
    • 如果执行的是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,如果执行的是Native方法,这个计数器值则为空。
    • 唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
  2. 虚拟机栈(Java Stack)

    • 位于线程私有的内存中,生命周期与线程相同。
    • 描述了Java方法执行的内存模型。
    • 方法执行时使用栈帧(Stack Frame)来存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
    • 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,如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常。
  3. 本地方法栈(Native Method Stack)

    • 与虚拟机栈相类似,区域在于本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。
    • 可以由虚拟机设计者自己实现。
    • 本地方法栈区域也会抛出StackOverflowErrorOutOfMemoryError异常。

1.2. 线程共享的数据区域

  1. Java堆(Heap)

    • 是Java虚拟机所管理内存中最大的一块,在虚拟机启动时创建。
    • 在Java虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术导致某些对象并没有分配在堆上。
    • Java GC工作的主要区域。现代收集器基本都采用分代收集算法,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。
    • 如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。
  2. 方法区(Method Area)

    • 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。
    • 它有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的应该是与Java堆区分开来。
    • HotSpot虚拟机选择把GC分代收集扩展至方法区,即使用永久代来实现方法区,因此也有人将此区域称为“永久代”;JDK 1.7的HotSpot中,已经把原本放在永久代的字符串常量池移出,并逐步改为采用Native Memory来实现方法区的规划。
    • 根据Java虚拟机规范的规定,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。
  3. 运行时常量池(Runtime Constant Pool)

    • 运行时常量池是方法区的一部分。
    • Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池(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。
    • 当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

1.3. 其他区域

  1. 直接内存(Direct Memory)

    • 直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。
    • 这部分内存也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

2. 对象的创建

Java是一门面向对象的编程语言,在Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层面上,创建对象(例如克隆、反序列化)通常仅仅是一个new关键字而已,而在虚拟机中,对象的创建过程则有以下几步:

  1. 类加载检查。虚拟机遇到一条new指令时,将首先执行类加载检查流程:先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。
  2. 为新生对象分配内存。所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定。
    • 分配内存的方法一般有两种:指针碰撞空闲列表:
      • 指针碰撞:用于内存中已使用和空闲两个部分的内存分配规整的情况,只需要移动临界指示器即可。
      • 空闲列表:用于内存中已使用和空闲两个部分的内存分配分散交错的情况。这种情况需要维护一个空闲列表来记录每一块空闲的内存,在为新生类分配内存时需要找到一块足够大的空闲内存区域。
      • 分配方式是由Java堆的规整情况决定的,即由所采用的垃圾收集器决定的;Serial、ParNew等具有Compact过程的收集器采用指针碰撞分配算法;而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器则通常使用空闲列表分配算法。
    • 保证原子性。在并发情况下,还需要保证为新生对象分配内存过程的原子性,一般有两种方式解决:
      • CAS+失败重试:对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性;
      • TLAB:把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行,即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存,称为本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)。哪个线程要分配内存,就在哪个线程的TLAB上分配,只有TLAB用完并分配新的TLAB时,才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB,可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。
  3. 内存空间初始化。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(不包括对象头),如果使用TLAB,这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用,程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
  4. 对对象进行必要的设置。例如确定这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头(Object Header)之中。
  5. 执行init方法。把对象按照程序员的意愿进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

3. 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(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。

  1. 对象头

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息,第一部分用于存储对象自身的运行时数据,第二部分是类型指针。

  • 运行时数据包括哈希码(HashCode)、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,这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针)中分别为32bit和64bit,官方称它为“Mark Word”。

  • 类型指针是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;并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针,也就是说,查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。

HotSpot虚拟机./openjdk/hotspot/src/share/vm/oops/markOop.hpp中的代码(注释)片段,它描述了32bit和64下Mark Word的存储状态:

  • Bit-format of an object header (most significant first, big endian layout below):
  • 32 bits:
  • --------
  • hash:25 ------------>| age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
  • JavaThread*:23 epoch:2 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
  • size:32 ------------------------------------------>| (CMS free block)
  • PromotedObject*:29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
  • 64 bits:
  • --------
  • unused:25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
  • JavaThread*:54 epoch:2 unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
  • PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
  • size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)
  • unused:25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object)
  • JavaThread*:54 epoch:2 cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object)
  • narrowOop:32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object)
  • unused:21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)
  1. 实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的,还是在子类中定义的,都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数(FieldsAllocationStyle)和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doublesintsshorts/charsbytes/booleansoops(Ordinary Object Pointers),从分配策略中可以看出,相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下,在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true(默认为true),那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

  1. 对齐填充

对齐填充并不是必然存在的,也没有特别的含义,它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍,换句话说,就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数(1倍或者2倍),因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对齐填充来补全。

4. 对象的访问

对象的访问方式取决于虚拟机实现而定的,目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种方式。

  1. 使用句柄访问

如果使用句柄访问的话,那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息,如下图所示:

2.句柄访问方式.png

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,在对象被移动(垃圾收集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。

  1. 直接指针访问

如果使用直接指针访问,那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,而reference中存储的直接就是对象地址,如下图所示:

3.直接指针访问方式.png

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,由于对象的访问在Java中非常频繁,因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

注:HotSpot虚拟机使用直接指针方式进行对象访问。

5. 异常产生测试

  1. Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例,只要不断地创建对象,并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象,那么在对象数量到达最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。同时我们需要设置下面的两个JVM参数:

  • 最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数:限制Java堆的大小为20MB,不可扩展(将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为一样即可避免堆自动扩展);
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError参数:让虚拟机在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进行分析。

测试代码如下:

  • package com.coderap.oom;
  • import java.util.ArrayList;
  • /**
  • * JVM args: -Xms20M -Xmx20M -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
  • */
  • public class HeapOutOfMemoryTest {
  • public static void main(String[] args) {
  • ArrayList<HeapOutOfMemoryTest> list = new ArrayList<HeapOutOfMemoryTest>();
  • while (true) {
  • list.add(new HeapOutOfMemoryTest());
  • }
  • }
  • }

运行可以得到以下信息:

  • java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
  • Dumping heap to java_pid6474.hprof ...
  • Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
  • Heap dump file created [27794968 bytes in 0.833 secs]
  • at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2245)
  • at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2219)
  • at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:213)
  • at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:187)
  • at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:411)
  • at com.coderap.oom.HeapOutOfMemoryTest.main(HeapOutOfMemoryTest.java:11)

可以看出,打印日志中显示将运行的堆日志存储在了java_pid6474.hprof文件中,我们可以使用Eclipse Memory Analyzer工具打开该文件进行分析:

4.Eclipse Memory Analyzer分析.png

  1. 栈溢出

栈溢出也即是我们经常听到的“爆栈”,关于虚拟机栈和本地方法栈,在Java虚拟机规范中描述了两种异常:

  • 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度,将抛出StackOverflowError异常。
  • 如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间,则抛出OutOfMemoryError异常。

在单个线程下,无论是由于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异常。我们可以通过指定-Xss参数限制栈内存大小,然后执行一个无限递归,就可以产生“爆栈”异常:

  • package com.coderap.oom;
  • /**
  • * JVM args -Xss160k
  • * JDK 1.7.0_07测试最低需要160k栈内存
  • */
  • public class StackOverflowTest {
  • private static int recursiveCount = 0;
  • public static void main(String[] args) {
  • try {
  • recursiveCount++;
  • StackOverflowTest.main(args);
  • } catch (Throwable e) {
  • System.out.println("Stack Deepth : " + recursiveCount);
  • e.printStackTrace();
  • }
  • }
  • }

运行上述代码,可以得到以下异常信息:

  • Stack Deepth : 710
  • java.lang.StackOverflowError
  • at sun.misc.Unsafe.compareAndSwapInt(Native Method)
  • at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.compareAndSetState(AbstractQueuedSynchronizer.java:566)
  • at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.nonfairTryAcquire(ReentrantLock.java:137)
  • at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.tryLock(ReentrantLock.java:370)
  • at java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment.put(ConcurrentHashMap.java:431)
  • at java.util.concurrent.ConcurrentHashMap.putIfAbsent(ConcurrentHashMap.java:1149)
  • at java.lang.ClassLoader.getClassLoadingLock(ClassLoader.java:462)
  • at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:403)
  • at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:410)
  • at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:308)
  • at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:356)
  • at com.coderap.oom.StackOverflowTest.main(StackOverflowTest.java:13)
  • at com.coderap.oom.StackOverflowTest.main(StackOverflowTest.java:11)
  • at com.coderap.oom.StackOverflowTest.main(StackOverflowTest.java:11)
  • ...

可以看出,在栈深度达到710的时候抛出了StackOverflowError异常。

如果是建立过多线程导致的内存溢出,在不能减少线程数或者更换64位虚拟机的情况下,就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。当单个线程的最大堆大小和栈容量减小时,自然可以创建更多的线程。

  1. 方法区和运行时常量池溢出

由于运行时常量池是方法区的一部分,因此这两个区域的溢出测试就放在一起进行。这个区域的OutOfMemoryError可以利用String.intern()方法来产生。String.intern()是一个Native方法,它的作用是:如果字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串,则返回代表池中这个字符串的String对象;否则,将此String对象包含的字符串添加到常量池中,并且返回此String对象的引用。

在JDK 1.6及之前的版本中,由于常量池分配在永久代内,我们可以通过-XX:PermSize-XX:MaxPermSize限制方法区大小,从而间接限制其中常量池的容量,测试代码:

  • package com.coderap.oom;
  • import java.util.ArrayList;
  • /**
  • * JVM args -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
  • * JDK 1.7下这份代码不会抛出错误,需要JDK 1.6下测试
  • */
  • public class ConstantPoolOutOfMemoryTest {
  • public static void main(String[] args) {
  • ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
  • int i = 0;
  • while (true) {
  • list.add(String.valueOf(++i).intern());
  • }
  • }
  • }

运行代码得到以下打印信息:

  • Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
  • at java.lang.String.intern(Native Method)
  • at com.coderap.oom.ConstantPoolOutOfMemoryTest.main(ConstantPoolOutOfMemoryTest.java:12)

需要注意的是,如果使用使用JDK 1.7运行这段程序就不会得到相同的结果,while循环将一直进行下去。因为JDK 1.7中的String.intern()方法实现不会再复制实例,而是复制实例的引用到常量池。这是与JDK 1.6的本质区别,在1.6中是在常量池中生成原字符串的拷贝。

  1. 本机直接内存溢出

Direct Memory容量可通过-XX:MaxDirectMemorySize指定,如果不指定,则默认与Java堆最大值(-Xmx指定)一样,下面的代码越过了DirectByteBuffer类,直接通过反射获取Unsafe实例进行内存分配(Unsafe类的getUnsafe()方法限制了只有引导类加载器才会返回实例,也就是设计者希望只有rt.jar中的类才能使用Unsafe的功能)。因为,虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常,但它抛出异常时并没有真正向操作系统申请分配内存,而是通过计算得知内存无法分配,于是手动抛出异常,真正申请分配内存的方法是unsafe.allocateMemory()

  • package com.coderap.oom;
  • import sun.misc.Unsafe;
  • import java.lang.reflect.Field;
  • /**
  • * JVM args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
  • */
  • public class DirectMemoryOutOfMemory {
  • 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);
  • }
  • }
  • }

运行结果如下:

  • Exception in thread"main"java.lang.OutOfMemoryError
  • at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
  • at com.coderap.oom.DirectMemoryOutOfMemory.main(DirectMemoryOutOfMemory.java:13)

由Direct Memory导致的内存溢出,一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见明显的异常,如果读者发现OutOfMemoryError之后Dump文件很小,而程序中又直接或间接使用了NIO,那就可以考虑检查一下是不是这方面的原因。

图书信息

深入理解Java虚拟机(第2版)

作者:周志明

出版社:机械工业出版社

出版日期:

页数:433

评分:

JVM
Java
虚拟机
java
计算机
编程
软件开发
程序设计

推荐阅读

Java虚拟机06——垃圾收集器之CMS

Java
Java虚拟机

2015-01-29 0 351

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和...

目录