从内存溢出看Java 环境中的内存结构

  作为有个java程序员,我想大家对下面出现的这几个场景并不陌生,倍感亲切,深恶痛绝,抓心挠肝,一定会回过头来问为什么为什么为什么会这样,嘿嘿,让我们看一下我们日常在开发过程中接触内存溢出的异常:  

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Exception in thread "main" [Full GCjava.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.grow(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.add(Unknown Source)
    at oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:21)  
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Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at java.nio.CharBuffer.arrayOffset(Unknown Source)
    at sun.nio.cs.UTF_8.updatePositions(Unknown Source)
    at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeArrayLoop(Unknown Source)
    at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeLoop(Unknown Source)
    at java.nio.charset.CharsetEncoder.encode(Unknown Source)
    at sun.nio.cs.StreamEncoder.implWrite(Unknown Source)
    at sun.nio.cs.StreamEncoder.write(Unknown Source)
    at java.io.OutputStreamWriter.write(Unknown Source)
    at java.io.BufferedWriter.flushBuffer(Unknown Source)
    at java.io.PrintStream.write(Unknown Source)
    at java.io.PrintStream.print(Unknown Source)
    at java.io.PrintStream.println(Unknown Source)
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java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at oom.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:23)

  是不是有大家很熟悉的,遇见这样的问题解决起来可能不简单,但是如果现在让大家写个程序,故意让程序出现下面的异常,估计能很快写出来的也不是很多,这就要求开发人员对于java内存区域以及jvm规范有比较深的了解。

  既然抛出了异常,首先我们肯定这些都是内存异常,只是内存异常中的不同种类,我们就试着了解一下为什么会出现以上的异常,可以看出有两种异常状况::

  OutOfMemoryError

  StackOverflowError

  其中OutOfMemoryError是在程序无法申请到足够的内存的时候抛出的异常,StackOverflowError是线程申请的栈深度大于虚拟机所允许的深度所抛出的异常。 可是从上面列出的异常内容也可以看出在OutOfMemoryError类型的一场中也存在这很多异常的可能。这是为什么?以为是在内存的不同结构中出现的错误,所以抛出的异常也就形形色色,说道这我们不得不介绍一下java的内存结构,请看下图(从网上摘的):

  

  在运行时的内存区域有5个部分,Method Area(方法区),Java stack(java 虚拟机栈),Native MethodStack(本地方法栈),Heap(堆),Program Counter Regster(程序计数器)。从图中看出方法区和堆用黄色标记,和其他三个区域的不同点就是,方法区和堆是线程共享的,所有的运行在jvm上的程序都能访问这两个区域,堆,方法区和虚拟机的生命周期一样,随着虚拟机的启动而存在,而栈和程序计数器是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

  Program Counter Regster(程序计数器):每一个用户线程对应一个程序计数器,用来指示当前线程所执行字节码的行号。由程序计数器给文字码解释器提供吓一条要执行的字节码的的位置。根据jvm规范,在这个区域中不会抛出OutOfMemoryError的内存异常。

  Java stack(java 虚拟机栈):这个区域是最容易出现内存异常的区域,每一个线程对应生成一个线程栈,线程每执行一个方法的时候,都会创建一个栈帧,用来存放方法的局部变量表,操作树栈,动态连接,方法入口,这和C#是不一样的,在C#CLR中没有栈帧的概念,都是在线程栈中通过压栈和出栈的方式进行数据的保存。jvm规范对这个区域定义了两种内存异常,OutOfMemoryError,StackOverflowError。

  Native MethodStack(本地方法栈):和虚拟机栈一样,不同的是处理的对象不一样,虚拟机栈处理java的字节码,而本地栈则是处理的Native方法。其他方面一致。

  Heap(堆):前面说了堆是所有线程都能访问的,随着虚拟机的启动而存在,这块区域很大,因为所有的线程都在这个区域保存实例化的对象,因为每一个类型中,每个接口实现类需要的内存不一样,一个方法内的多个分支需要的内存也不尽相同,我们只有在运行的时候才能知道要创建多少对象,需要分配多大的地址空间。GC关注的正是这样的部分内容,所以很多时候也将堆称为GC堆。堆中肯定不会抛出StackOverflowError类型的异常,所以只有OutOfMemoryError相关类型的异常。

  Method Area(方法区):用于存放已被虚拟机加载的类信息,常量,静态方法,即使编译后的代码。同样只能抛出OutOfMemoryError相关类型的异常。

  介绍完jvm内存结构中的常见区域,下面该是和我们主题呼应的时候了,在什么情况下,在那个区域,如何才能复现开始提到的异常信息?从第一个开始,异常信息的内容为:  

Exception in thread "main" [Full GCjava.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.grow(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.add(Unknown Source)
    at oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:21)

  可想而知是在堆中出现的问题,如何重现,由于是在堆中出现这个异常,那么就要处理好,不能被垃圾回收器给回收了,设置一下jvm中堆的最大值(这样才能够更快的出现错误),设置jvm值的方法是通过-Xms(堆的最小值),-Xmx(堆的最大值)。下面动手试一下:

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package oom;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

import testbean.UserBean;

/*** 
 * 
 * @author Think
 * 
 */
public class HeapOOM {
    static class OOMObject {
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<UserBean> users = new ArrayList<UserBean>();
        while (true) {
            users.add(new UserBean());
        }
    }
}
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  UserBean对象定义如下:  

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package testbean;

public class UserBean {
    String name;
    int age;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public UserBean() {
        super();
    }

}
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  然后在运行的时候设置jvm参数,如下:

  

  运行一下看看结果:  

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.grow(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.add(Unknown Source)
    at oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:21)

  成功在java虚拟机堆中溢出。

  下面看第二个关于栈的异常,内容如下:  

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Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at java.nio.CharBuffer.arrayOffset(Unknown Source)
    at sun.nio.cs.UTF_8.updatePositions(Unknown Source)
    at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeArrayLoop(Unknown Source)
    at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeLoop(Unknown Source)
    at java.nio.charset.CharsetEncoder.encode(Unknown Source)
    at sun.nio.cs.StreamEncoder.implWrite(Unknown Source)
    at sun.nio.cs.StreamEncoder.write(Unknown Source)
    at java.io.OutputStreamWriter.write(Unknown Source)
    at java.io.BufferedWriter.flushBuffer(Unknown Source)
    at java.io.PrintStream.write(Unknown Source)
    at java.io.PrintStream.print(Unknown Source)
    at java.io.PrintStream.println(Unknown Source)
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  因为是与栈相关的话,那么我们在重现异常的时候就要相应的将栈内存容量设置的小一些,设置栈大小的方法是设置-Xss参数,看如下实现:  

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package oom;

import testbean.Recursion;

/*** 
 * 
 * @author Think
 * 
 */
public class VMStackOOM { 

    public static void main(String[] args) {
        Recursion recursion = new Recursion();
        try {
            recursion.recursionself();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("current value :" + recursion.currentValue);
            throw e;
        }
    }

}
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  Recursion的定义如下:  

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package testbean;

public class Recursion {
    public int currentValue = 0;

    public void recursionself() {
        currentValue += 1;
        recursionself();
    }
}
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  运行时jvm参数的设置如下:

  

  运行结果如下:  

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current value :999
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:7)
    at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8)
    at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8)
    at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8)
    at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8)
    at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8)
省略下面的异常信息
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  第三个异常是关于perm的异常内容,我们需要的是设置方法区的大小,实现方式是通过设置-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize参数,内容如下:  

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

  如果程序加载的类过多,例如tomcatweb容器,就会出现PermGen space异常,如果我将HeapOOM类的运行时的XX:PermSize设置为2M,如下:

  

  那么程序就不会执行成功,执行的时候出现如下异常:  

Error occurred during initialization of VM
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.getExtClassLoader(Unknown Source)
    at sun.misc.Launcher.<init>(Unknown Source)
    at sun.misc.Launcher.<clinit>(Unknown Source)
    at java.lang.ClassLoader.initSystemClassLoader(Unknown Source)
    at java.lang.ClassLoader.getSystemClassLoader(Unknown Source)

  第四个异常估计遇到的人就不多了,是DirectMemory内存相关的,内容如下:  

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at oom.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:23)

  DirectMemoruSize可以通过设置 -XX:MaxDirectMemorySize参数指定容量大小,如果不指定的话,那么就跟堆的最大值一致,下面是代码实现:  

复制代码
package oom;

import java.lang.reflect.Field;

import sun.misc.Unsafe;

/*** 
 * 
 * @author Think
 * 
 */
public class DirectMemoryOOM {

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

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

    }
}
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  运行时设置的jvm参数如下:

  

  很容易就复线了异常信息:  

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at oom.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:23)

 

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