Java内存区域与内存溢出

前言

最近在读周志明老师的《深入理解Java虚拟机》,感觉一下换了一个角度来看待Java代码，有必要整理一些内容，更清楚实际的流程，这一篇就记录下Java内存区域与相关的一些内存溢出的异常。

内存区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程会把它管理的内存划分为各个不同的区域，这些区域都有着各自的生命周期，总的来说Java虚拟机管理的内存将会包括一下的数据区域

图中可以很清晰的看出区域里面各个实体的关系，然后简单介绍一3下各个实体。

1.程序计数器

线程私有，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解释器的工作就是通过改变计数器的值来进行后续的操作。

2.虚拟机栈

线程私有，描述的是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储存局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

3.本地方法栈

与虚拟机栈发挥的作用类似，但虚拟机栈主要是为执行Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的native方法服务。

4.Java堆

是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，也是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建，此区域唯一目的是存放对象实例。

5.方法区

也是各个线程共享，用于储存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，为堆的一个逻辑部分。其中的运行时常量池相对于Class文件常量池而言具备动态性，运行期间也可将新的常量放入池中。
除了这些以外，直接内存的不合理分配也会影响到Java虚拟机动态扩展内存时出现内存溢出。

从JVM看对象

Java对象的创建我们无时无刻都在使用着，这里从虚拟机层面来看待对象的创建。

对象的创建

1.当虚拟机收到一条new指令时，首先去检查这个指令的参数能否在常量池中定位到对应的符号引用，并且检查符号引用代表的类是否加载过、解析和初始化过，没有则进行对应的类加载过程。

2.在类检查通过后，虚拟机为新生对象从Java堆中分配内存。而内存的分配又有两种方式。一种是指针碰撞，就是把空闲和正在使用的内存中间放一个指针隔开，所以这种方式实际就是把指针进行移动，当内存出现相互交错时。该方式自然就行不通了；另一种方式是空闲列表，由虚拟机维护一个列表，分配内存后就更新这个列表的记录。至于使用哪种方式就要看是基于何种垃圾回收器而言。除了怎么划分可用空间之外，还需要考虑虚拟机分配内存的频率，分配频率就会涉及到并发中的一些问题了。JVM采用CAS（比较并交换）方式进行失败重试保证操作的原子性；另一种是每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，也就是本地线程分配缓冲(TLAB)

3.内存分配完成后，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值，使用TLAB，则可以提前到分配时进行。

4.虚拟机对对象进行必要的设置，也就是把该对象相关的信息存储在对象头之中,这些工作都完成后，一个新的对象已经产生了，接下来就是对象的初始化了。

对象的访问定位

对象的访问目前主流的方式有句柄和直接指针两种。
1.使用句柄访问，Java堆会划分出一块内存作为句柄池，对象的引用中存储的就是其句柄的地址，句柄包含了对象实例数据和类型数据的具体地址信息。
2.使用直接指针，堆就要考虑如何放置访问类型数据相关的信息，引用中存储的直接就是对象地址。
很显然，因为是直接指向地址，所以直接指针的方式更加快，但对象访问在Java中太过频繁，积少成多后也会造成较高的执行成本。

内存溢出异常

1.Java堆溢出

public class HeapOOM {

    static class OOMObject {

    }

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

这里可以设置下虚拟机相关的参数,

-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8

2.虚拟机和本地方法栈溢出

public class JavaVMStackSOF {

    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackSOF stackSOF = new JavaVMStackSOF();

        try {
            stackSOF.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("Stack length: "+stackSOF.stackLength );
            throw e;
        }
    }
}

3.创建线程导致的内存溢出

public class JavaVMStackOOM {

    private void doStop() {
        while (true) {

        }
    }

    public void stackLeakByThread() {
        while (true) {
            Thread thread = new Thread(()->{
               doStop();
            });
            thread.start();
        }
    }

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

这里的话,在Windows平台的虚拟机中，Java的线程是映射到操作系统的内核线程上，这里可能导致机器假死。

4.方法和运行时常量池溢出

public class RuntimeConstantPoolOOM {

    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

5.本机直接内存溢出

public class DirectMemoryOOM {

    public static final int _1MB = 1024 * 1024;
    public static void main(String[] args) {
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeField.setAccessible(true);
        try {
            Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
            while (true) {
                unsafe.allocateMemory(_1MB);
            }
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

总结

了解了这些不得不佩服设计者，一个看似简单的东西底层要解决的问题、处理的细节也是非常多的，从Java虚拟机层面看到了不一样的东西，也是非常有意思的，理解底层实现的原理有助于写成更健壮的代码，更快速的debug，就到这里了。