JVM筆記-運行時內存區域劃分

2020 年 3 月 16 日
筆記

1. 概述

Java 虛擬機在執行 Java 程序的過程中會把它管理的內存劃分為若干個不同的數據區域。它們各有用途，有些隨着虛擬機進程的啟動一直存在（堆、方法區），有些則隨着用戶線程的啟動和結束而建立和銷毀（程序計數器、虛擬機棧、本地方法棧）。

《Java 虛擬機規範》中規定 Java 虛擬機管理的內存包括以下幾個區域：

下面簡要分析各個區域的特點。

2. JVM 運行時內存區域

2.1 程序計數器

程序計數器（Program Counter Register），可以看做當前線程所執行的位元組碼的行號指示器（其實就是記錄代碼執行到了哪裡）。特點如下：

線程私有；
佔用內存空間較小；
若線程執行的是 Java 方法，記錄的是虛擬機位元組碼指令地址；若執行的是本地（Native）方法，則為空（Undefined）；
該區域是唯一一個在《Java 虛擬機規範》中規定無任何 OutOfMemoryError 的區域。

主要作用：記錄線程執行到了哪裡。

2.2 Java 虛擬機棧

Java 虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）：Java 方法執行的線程內存模型。

每個方法被執行時，虛擬機棧都會創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作數棧、動態連接、方法出口等信息。每個方法從被調用直至執行完畢的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。其中局部變量表包括：

Java 虛擬機基本數據類型（8 種）
對象引用（reference 類型，可能是一個指向對象起始地址的指針）
returnAddress

這些數據類型在局部變量表中的存儲空間以局部變量槽（Slot）表示，其中 long 和 double 佔用兩個槽，其他類型佔用一個槽。局部變量表所需內存空間在編譯期完成分配，當進入一個方法時，該方法需要在棧幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，運行期間不會改變其大小。

虛擬機棧的特點：

線程私有；
生命周期與線程相同；
兩類異常
- 線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度時拋出 StackOverflowError 異常；
  - 棧擴展時無法申請到足夠的內存時拋出 OutOfMemoryError 異常。

主要目的：Java 方法執行的線程內存模型。

2.3 本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與 Java 虛擬機棧作用類似。二者區別：

Java 虛擬機棧為 JVM 執行 Java 方法（位元組碼）服務；
本地方法棧為 JVM 使用到的本地（Native）方法服務。

異常與 Java 虛擬機棧相同。

主要目的：Native 方法執行的線程內存模型。

2.4 Java 堆

對多數應用來說，Java 堆（Java Heap）是 JVM 管理的內存中最大的一塊。

唯一目的：存放對象實例（【幾乎所有】的對象實例都在這裡分配內存）。

《Java 虛擬機規範》描述：所有對象實例及數組都應在堆上分配。

而從實現角度看，由於即使編譯技術（尤其是逃逸分析技術的日漸強大），"棧上分配"等手段使得對象並非完全在堆上分配。

特點：

線程共享
虛擬機啟動時創建

PS: "新生代"、"老年代"、"Eden 區"等一系列對堆的區域劃分，只是部分垃圾收集器的一些共性或設計風格，而非虛擬機的固有內存布局，更非《Java 虛擬機規範》的劃分。

將 Java 堆細分的目的只是為了更好地回收內存，或者更快地分配內存。

2.5 方法區

方法區（Method Area）：用於存儲已被虛擬機加載的類型信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼緩存等數據，該區域也是線程共享的。又稱"非堆"。

與方法區聯繫密切的一個概念是"永久代"，下面簡要介紹。

永久代

"永久代（Permanent Generation）"，可以理解為 JDK 1.8 之前 HotSpot 虛擬機對《Java 虛擬機規範》中"方法區"的實現。從 JDK 1.6、1.7 到 1.8+，HotSpot 虛擬機的運行時數據區變遷示意圖如下：

HotSpot VM JDK 1.6 的運行時數據區示意圖如下：

JDK 1.7 中，將 1.6 中永久代的字符串常量池和靜態變量等移到了堆中，如下（虛線框表示已移除）：

而到了 JDK 1.8，則完全廢棄了"永久代"，改用了在本地內存中實現的"元空間（Metaspace）"，將 JDK 1.7 中永久代剩餘的部分（主要是類型信息）移到了元空間，如下（虛線框表示已移除）：

從上面幾張圖可以看出永久代和元空間的主要區別有以下兩點：

存儲位置不同
1. 永久代是 JVM 內存的一部分，元空間在本地內存中（JVM 內存之外）；
2. 永久代使用不當可能導致 OOM，元空間一般不會。
存儲內容不同：元空間存儲的是「類型信息」（即類的元信息），而永久代除了類型信息，還包括「字符串常量池」和「靜態變量」等（可以理解為元空間是永久代拆分出來的一部分）。

那麼問題來了：為什麼要把永久代替換為元空間呢？

原因大概有以下幾點：

Oracle 收購了兩種 JVM：HotSpot VM 和 JRockit VM，並且想要將它們整合，但二者方法區實現差異較大；
字符串存在永久代中，容易出現性能問題和 OOM；
類及方法的信息大小較難確定，永久代大小難以確定：太小易導致永久代溢出，太大則易導致老年代溢出（JVM 內存是有限的，此消彼長）；
永久代會為垃圾回收帶來不必要的複雜度，且回收效率較低（"性價比"低）。

2.6 運行時常量池

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。

Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述外信息，還有一項信息是常量池表（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。

相比於 Class 文件常量池的一個重要特性是「動態性」，運行期間也可以將新的常量放入池中（例如 String 類的 intern() 方法）。

可能產生的異常：OutOfMemoryError。

2.7 直接內存

直接內存（Direct Memory）並非虛擬機運行時數據區的一部分，也非《Java 虛擬機規範》定義的內存區域。但該部分內存被頻繁使用（例如 NIO），而且可能導致 OutOfMemoryError。

3. OOM異常實踐

3.0 操作系統及 JDK 版本

操作系統：macOS Mojave 10.14.5
JDK 1.8

$ java -version  java 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 -version  java 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

示例代碼（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 參數

# 設置堆空間大小為 20M  -Xms20m -Xmx20m  -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

異常信息

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space  Dumping 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 虛擬機棧和本地方法棧溢出

示例代碼（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) {        // 注意這裡是 Throwable，而非 Exception （Error 不是 Exception）        System.out.println("stack length: " + sof.stackLength);        throw ex;      }    }  }

VM參數

由於 HotSpot 虛擬機不區分 Java 虛擬機棧和本地方法棧。因此 -Xoss 參數（設置本地方法棧大小）並沒有作用，棧空間只能由 -Xss 參數。

# Java 虛擬機棧大小  -Xss160K

異常信息

stack length: 772  Exception 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 方法區和運行時常量池溢出

3.3.1 字符串常量

示例代碼

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 參數及異常：

VM 參數

# 最大堆空間為 10M，永久代為 10M （為便於觀察，打印了啟動命令和 GC 信息）  -Xmx10m -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m  -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintCommandLineFlags

異常信息

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10m; support was removed in 8.0  Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10m; support was removed in 8.0  Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)    ...

JDK 1.7 參數及異常信息：

VM 參數

# 設置永久代大小為 10M  -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m

異常信息

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2367)    ...

參考鏈接：https://www.cnblogs.com/paddix/p/5309550.html

3.3.2 類型信息

示例代碼

package com.jaxer.example.cglib;    public class OOMObject {  }

使用 CGLib 生成代碼：

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 參數及異常：

VM 參數

# 設置元空間大小為 10M  -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m

異常信息

java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace    at java.lang.Class.forName0(Native Method)    at java.lang.Class.forName(Class.java:348)    ...

JDK 1.7 參數及異常信息：

VM 參數

# 設置永久代大小為 10M  -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m -XX:+PrintGCDetails

異常信息

Exception in thread "main"  Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"

此處的異常無法被捕獲，Debug 模式斷點如下：

可以看到，這裡實際還是永久代（PermGen space）OOM 異常。

3.4 本機直接內存溢出

示例代碼（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 參數

# 設置堆內存最大為 20M，直接內存最大為 10M  -Xmx20m -XX:MaxDirectMemorySize=10m

異常信息

java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

4. 小結

本文主要分析了《Java 虛擬機規範》中規定的 Java 虛擬機管理的運行時內存區域，並以 HotSpot 虛擬機為例，分析了 JDK 1.7 和 1.8 內存溢出的情況。主要內容總結如下圖：

PS: 一些虛擬機參數如下

# 設置堆空間大小  -Xms20m -Xmx20m    # 設置虛擬機棧空間大小  -Xss160K    # 設置永久代大小  -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m    # 設置元空間大小  -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m    # 打印 GC 日誌  -XX:+PrintGCDetails    # 打印命令行參數  -XX:+PrintCommandLineFlags    # 堆棧信息  -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError