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BAT面试必问题系列:深入详解JVM 内存区域及内存溢出分析

前言

在JVM的管控下,Java程序员不再需要管理内存的分配与释放,这和在C和C++的世界是完全不一样的。所以,在JVM的帮助下,Java程序员很少会关注内存泄露和内存溢出的问题。但是,一旦JVM发生这些情况的时候,如果你不清楚JVM内存的内存管理机制是很难定位与解决问题的。

一、JVM 内存区域

Java虚拟机在运行时,会把内存空间分为若干个区域,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区域分为如下部分:方法区、堆内存、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

1、方法区

方法区主要用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量,以及编译器编译后的代码等数据。在jdk1.7及其之前,方法区是堆的一个“逻辑部分”(一片连续的堆空间),但为了与堆做区分,方法区还有个名字叫“非堆”,也有人用“永久代”(HotSpot对方法区的实现方法)来表示方法区。

从jdk1.7已经开始准备“去永久代”的规划,jdk1.7的HotSpot中,已经把原本放在方法区中的静态变量、字符串常量池等移到堆内存中,(常量池除字符串常量池还有class常量池等),这里只是把字符串常量池移到堆内存中;在jdk1.8中,方法区已经不存在,原方法区中存储的类信息、编译后的代码数据等已经移动到了元空间(MetaSpace)中,元空间并没有处于堆内存上,而是直接占用的本地内存(NativeMemory)。根据网上的资料结合自己的理解对jdk1.3~1.6、jdk1.7、jdk1.8中方法区的变迁画了张图如下(如有不合理的地方希望读者指出):

去永久代的原因有:

(1)字符串存在永久代中,容易出现性能问题和内存溢出。

(2)类及方法的信息等比较难确定其大小,因此对于永久代的大小指定比较困难,太小容易出现永久代溢出,太大则容易导致老年代溢出。

(3)永久代会为 GC 带来不必要的复杂度,并且回收效率偏低。

2、堆内存

堆内存主要用于存放对象和数组,它是JVM管理的内存中最大的一块区域,堆内存和方法区都被所有线程共享,在虚拟机启动时创建。在垃圾收集的层面上来看,由于现在收集器基本上都采用分代收集算法,因此堆还可以分为新生代(YoungGeneration)和老年代(OldGeneration),新生代还可以分为 Eden、From Survivor、To Survivor。

3、程序计数器

程序计数器是一块非常小的内存空间,可以看做是当前线程执行字节码的行号指示器,每个线程都有一个独立的程序计数器,因此程序计数器是线程私有的一块空间,此外,程序计数器是Java虚拟机规定的唯一不会发生内存溢出的区域。

4、虚拟机栈

虚拟机栈也是每个线程私有的一块内存空间,它描述的是方法的内存模型,直接看下图所示:

虚拟机会为每个线程分配一个虚拟机栈,每个虚拟机栈中都有若干个栈帧,每个栈帧中存储了局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址等。一个栈帧就对应 Java 代码中的一个方法,当线程执行到一个方法时,就代表这个方法对应的栈帧已经进入虚拟机栈并且处于栈顶的位置,每一个 Java 方法从被调用到执行结束,就对应了一个栈帧从入栈到出栈的过程。

5、本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈的区别是,虚拟机栈执行的是 Java 方法,本地方法栈执行的是本地方法(Native Method),其他基本上一致,在 HotSpot 中直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一,这里暂时不做过多叙述。

6、元空间

上面说到,jdk1.8 中,已经不存在永久代(方法区),替代它的一块空间叫做 “ 元空间 ”,和永久代类似,都是 JVM 规范对方法区的实现,但是元空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存,元空间的大小仅受本地内存限制,但可以通过 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 来指定元空间的大小。

二、JVM 内存溢出

1、堆内存溢出

堆内存中主要存放对象、数组等,只要不断地创建这些对象,并且保证 GC Roots 到对象之间有可达路径来避免垃圾收集回收机制清除这些对象,当这些对象所占空间超过最大堆容量时,就会产生 OutOfMemoryError 的异常。堆内存异常示例如下:

/** * 设置最大堆最小堆:-Xms20m -Xmx20m * 运行时,不断在堆中创建OOMObject类的实例对象,且while执行结束之前,GC Roots(代码中的oomObjectList)到对象(每一个OOMObject对象)之间有可达路径,垃圾收集器就无法回收它们,最终导致内存溢出。 */ public class HeapOOM { static class OOMObject { } public static void main(String[] args) { List<OOMObject> oomObjectList = new ArrayList<>(); while (true) { oomObjectList.add(new OOMObject()); } } }

运行后会报异常,在堆栈信息中可以看到:

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 的信息,说明在堆内存空间产生内存溢出的异常。

新产生的对象最初分配在新生代,新生代满后会进行一次 Minor GC,如果 Minor GC 后空间不足会把该对象和新生代满足条件的对象放入老年代,老年代空间不足时会进行 Full GC,之后如果空间还不足以存放新对象则抛出 OutOfMemoryError 异常。

常见原因:内存中加载的数据过多如一次从数据库中取出过多数据;集合对对象引用过多且使用完后没有清空;代码中存在死循环或循环产生过多重复对象;堆内存分配不合理;网络连接问题、数据库问题等。

2、虚拟机栈/本地方法栈溢出

(1)StackOverflowError:当线程请求的栈的深度大于虚拟机所允许的最大深度,则抛出StackOverflowError,简单理解就是虚拟机栈中的栈帧数量过多(一个线程嵌套调用的方法数量过多)时,就会抛出StackOverflowError异常。

最常见的场景就是方法无限递归调用,如下:

/** * 设置每个线程的栈大小:-Xss256k * 运行时,不断调用doSomething()方法,main线程不断创建栈帧并入栈,导致栈的深度越来越大,最终导致栈溢出。 */ public class StackSOF { private int stackLength=1; public void doSomething(){ stackLength++; doSomething(); } public static void main(String[] args) { StackSOF stackSOF=new StackSOF(); try { stackSOF.doSomething(); }catch (Throwable e){//注意捕获的是Throwable System.out.println("栈深度:"+stackSOF.stackLength); throw e; } } }

上述代码执行后抛出:

Exception in thread "Thread-0" java.lang.StackOverflowError 的异常。

(2)OutOfMemoryError: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。

我们可以这样理解,虚拟机中可以供栈占用的空间≈可用物理内存 - 最大堆内存 - 最大方法区内存,比如一台机器内存为 4G,系统和其他应用占用 2G,虚拟机可用的物理内存为 2G,最大堆内存为 1G,最大方法区内存为 512M,那可供栈占有的内存大约就是 512M,假如我们设置每个线程栈的大小为 1M,那虚拟机中最多可以创建 512个线程,超过 512个线程再创建就没有空间可以给栈了,就报 OutOfMemoryError 异常了。

栈上能够产生 OutOfMemoryError 的示例如下:

/** * 设置每个线程的栈大小:-Xss2m * 运行时,不断创建新的线程(且每个线程持续执行),每个线程对一个一个栈,最终没有多余的空间来为新的线程分配,导致OutOfMemoryError */ public class StackOOM { private static int threadNum = 0; public void doSomething() { try { Thread.sleep(100000000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } public static void main(String[] args) { final StackOOM stackOOM = new StackOOM(); try { while (true) { threadNum++; Thread thread = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { stackOOM.doSomething(); } }); thread.start(); } } catch (Throwable e) { System.out.println("目前活动线程数量:" + threadNum); throw e; } } }

上述代码运行后会报异常

在堆栈信息中可以看到java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread的信息,无法创建新的线程,说明是在扩展栈的时候产生的内存溢出异常。

总结:在线程较少的时候,某个线程请求深度过大,会报 StackOverflow 异常,解决这种问题可以适当加大栈的深度(增加栈空间大小),也就是把 -Xss 的值设置大一些,但一般情况下是代码问题的可能性较大;在虚拟机产生线程时,无法为该线程申请栈空间了。

会报 OutOfMemoryError 异常,解决这种问题可以适当减小栈的深度,也就是把 -Xss 的值设置小一些,每个线程占用的空间小了,总空间一定就能容纳更多的线程,但是操作系统对一个进程的线程数有限制,经验值在 3000~5000 左右。

在 jdk1.5 之前 -Xss 默认是 256k,jdk1.5 之后默认是 1M,这个选项对系统硬性还是蛮大的,设置时要根据实际情况,谨慎操作。

3、方法区溢出

前面说到,方法区主要用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量,以及编译器编译后的代码等数据,所以方法区溢出的原因就是没有足够的内存来存放这些数据。

由于在 jdk1.6 之前字符串常量池是存在于方法区中的,所以基于 jdk1.6 之前的虚拟机,可以通过不断产生不一致的字符串(同时要保证和 GC Roots 之间保证有可达路径)来模拟方法区的 OutOfMemoryError 异常;但方法区还存储加载的类信息,所以基于 jdk1.7 的虚拟机,可以通过动态不断创建大量的类来模拟方法区溢出。

/** * 设置方法区最大、最小空间:-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m * 运行时,通过cglib不断创建JavaMethodAreaOOM的子类,方法区中类信息越来越多,最终没有可以为新的类分配的内存导致内存溢出 */ public class JavaMethodAreaOOM { public static void main(final String[] args){ try { while (true){ Enhancer enhancer=new Enhancer(); enhancer.setSuperclass(JavaMethodAreaOOM.class); enhancer.setUseCache(false); enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() { @Override public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable { return methodProxy.invokeSuper(o,objects); } }); enhancer.create(); } }catch (Throwable t){ t.printStackTrace(); } } }

上述代码运行后会报:

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 的异常,说明是在方法区出现了内存溢出的错误。

4、本机直接内存溢出

本机直接内存(DirectMemory)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,但 Java 中用到 NIO 相关操作时(比如 ByteBuffer 的 allocteDirect 方法申请的是本机直接内存),也可能会出现内存溢出的异常。

总结

JVM内存区域划分,便于它能够更加高效的管理自身的内存。当程序中出现这种由于JVM造成的内存溢出的情况的时候,需要根据不同的情况做不同的分析与处理。

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