《深入理解Java虚拟机》Java内存区域与内存溢出异常

 

注：“蓝色加粗字体”为书本原语

 

先来一张JVM运行时数据区域图，再接下来一一分析各区域功能：

 

程序计数器

 

程序计数器（program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

 

Java虚拟机栈

 

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。下面借用网友的一张图可能会更清晰：

局部变量表存放了预编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。通过上述表述（个人理解），局部变量空间是以Slot（32位）为空间单位的。就算原本一字节大小的byte类型在局部变量表也要占一个Slot（32位=4字节）。

 

在Java虚拟机规范中，Java虚拟机栈规定了两种异常情况：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。换句话说，如果线程栈的大小有1MB，如果当前线程大量使用了递归，那么当线程的栈帧总和超过1MB，JVM就会抛出StackOverflowError。另外，创建线程数量是需要分配线程栈内存的，但系统没有内存可以分配时，就会抛出OutOfMemoryError。说多是废话，实践才是真理，接下来尝试制作以上两种虚拟机栈错误。

测试代码：

public class StackTest {

    public static void recursion(int count){
        System.out.println("count="+count);
        recursion(++count);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        recursion(0);
    }
}

 

服务器和JVM信息如下：

把以上代码打成Jar在此环境下运行：

[wc@localhost JAVATEST]$ java -jar stackTest.jar
count=0
count=1
……
count=8406
count=8407
count=8408
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
        at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeLoop(UTF_8.java:691)
        at java.nio.charset.CharsetEncoder.encode(CharsetEncoder.java:579)
        at sun.nio.cs.StreamEncoder.implWrite(StreamEncoder.java:271)
        at sun.nio.cs.StreamEncoder.write(StreamEncoder.java:125)
        at java.io.OutputStreamWriter.write(OutputStreamWriter.java:207)
        at java.io.BufferedWriter.flushBuffer(BufferedWriter.java:129)
        at java.io.PrintStream.write(PrintStream.java:526)
        at java.io.PrintStream.print(PrintStream.java:669)
        at java.io.PrintStream.println(PrintStream.java:806)
        at StackTest.recursion(StackTest.java:5)
        at StackTest.recursion(StackTest.java:6)

从以上信息可看出，当recursion方法运行到count=8408的时候，线程栈已经超过了JVM默认的ThreadStackSize大小（1MB），则抛出了StackOverflowError异常。

 

接下来我们尝试通过加大设置线程栈大小（ThreadStackSize）值来消耗尽量多的系统内存，导致无法再分配线程栈内存而抛出OutOfMemoryError异常:

[wc@localhost JAVATEST]$ java -jar -Xss2048M stackTest.jar        
Error occurred during initialization of VM
java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
        at java.lang.Thread.start0(Native Method)
        at java.lang.Thread.start(Thread.java:714)
        at java.lang.ref.Reference.<clinit>(Reference.java:187)

JVM线程锁消耗的是Java进程的内存，但不消耗给JVM的内存，一个进程开启的最大线程数大概可以用以下公式进行理解：

线程数 = （进程最大分配内存数-JVM内存-保留的操作系统内存）/线程栈大小

进程最大分配内存大小跟操作系统有关，由于本人虚拟服务器的总内存大小为2GB，所以我尝试通过-Xss参数分配2GB的内存大小给线程栈，让虚拟机抛出异常。

 

本地方法栈

 

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

 

Java堆

 

Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块数据区域，在虚拟机启动时创建并被所有线程共享。此内存区域唯一的目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存，例如对象实例和数组。但随着其他技术的成熟（如JIT），对象分配在堆上慢慢地变得又没那么“绝对”了。Java堆同样是垃圾收集器管理的主要区域，由于现在的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。当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果堆中没有内存完成实例分配，并且对也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。继续上代码制造内存溢出：

public class HeapTest {

    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> byteList = new ArrayList<byte[]>();
        for(int i=0;i<10000;i++){
            byteList.add(new byte[1024000]);
            System.out.println("count="+i);
        }
    }
}

打包为heapTest.jar进行测试：

[wc@localhost JAVATEST]$ java -jar heapTest.jar 
count=0
count=1
……
count=405
count=406
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
        at HeapTest.main(HeapTest.java:9)

通过打印信息得知，当程序创建第406个byte数组（每个数组1MB）时，堆就产生溢出了。

 

方法区

 

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。方法区也称Non-Heap（非堆），目的是与Java堆区分开来，可通过-XX:MaxPermSize设置内存大小。从JVM运行时区域内存模型来看（本文第一张图），堆和方法区是两块独立的内存块。但从垃圾收集器来看，HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区，所以很多人都更愿意把方法区称为“永久代”，如下图所示：

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存放Class文件在编译期生成的各种字面量和符号引用，因为Class文件除了有类的版本、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）。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。同时运行时常量池具备动态性，并非预置入Class文件中常量池的内存才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，例如String类的inter()方法。既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。继续上代码制造内存溢出：

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

由于JDK1.8 HotSpot虚拟机去掉了永久代，所以要回归JDK1.6测试:

打包为MethodAreaTest.jar进行测试：

wc@WC01:~/JAVATEST> java -jar MethodAreaTest.jar
1
2
……
815311
815312
815313
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
        at java.lang.String.intern(Native Method)
        at MethodAreaTest.main(MethodAreaTest.java:11)

通过打印信息可以看到，当intern了815313次之后，出现了方法区内存溢出（毕竟常量池是属于方法区的）。