vlambda博客
学习文章列表

JVM笔记-运行时内存区域划分

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：

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；

  • 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）

  • 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：

JVM笔记-运行时内存区域划分

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）：

JVM笔记-运行时内存区域划分

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）：

JVM笔记-运行时内存区域划分

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 -versionjava 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 -versionjava 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 spaceDumping 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: 772Exception 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 8.0Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10m; support was removed in 8.0Exception 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：

JVM笔记-运行时内存区域划分

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

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

# 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




推荐阅读

真女神转生5：复仇 正式版替换包 试玩版游玩完整游戏方法 真女神转生5：复仇 正式版替换包 试玩版游玩完整游戏方法
转发||JVM GC知识（二）- HotSpot 垃圾回收器 转发||JVM GC知识（二）- HotSpot 垃圾回收器

相关文章