深入理解JVM筆記之記憶體管理機制

執行時資料區域

程式計數器

每個執行緒都有一個程式計數器（PC），是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器，通過改變程式計數器的值來選取下一條指令。各執行緒之間的計數器互不影響，是執行緒私有的記憶體。
如果執行緒執行的是一個JAVA方法，則計數器記錄的為正在執行的位元組碼指令的地址，如果執行的是Natvie方法，這計數器的值為空（Undifined)。
程式計算器所在的記憶體區域是唯一一個JVM規範中沒有規定OOMError的記憶體區域

JVM棧

JVM棧也是每個執行緒所私有的記憶體區域，隨著執行緒的建立而分配，執行緒的消亡而回收。JVM棧是描述Java方法執行的記憶體模型，每個java方法在執行的時候，都會建立一個棧幀（Stack Frame）,其作用是用來儲存java方法中的區域性變數、操作棧、方法出口等資訊。每一個java方法從被呼叫到執行完畢的過程，都伴隨著對應的棧幀在JVM棧中的進棧和入棧。
JVM規範中，該區域中有兩個異常狀況：
-StackOverflowError:執行緒請求的棧深度超過了JVM棧所允許的棧深度

本地方法棧

本地方棧（Native Method Stack）是描述虛擬機器所用到的本地方法的記憶體模型，與JVM棧類似，也會丟擲StackOverflowError和OutOfMemoryError

Java堆

Java堆是java虛擬機器所管理的最大的記憶體區域，我們所說的垃圾回收，就是對該區域的記憶體進行回收，所以也叫GC堆。java堆是所有執行緒所公用的記憶體區域，程式中的物件、陣列都存放在該區域中。
從記憶體回收的角度來看，由於現在的收集器所採用的都是分代收集演算法，所以java堆可以在進一步細分為：新生代和老年代，在新生代中，又可以劃分為Eden、From survivor、To survivor等空間。從記憶體分配的角度來看，java堆可能劃分為多個執行緒私有的分配快取區。
java堆可以是物理上不連續但邏輯上要連續的記憶體空間，可以通過指定-Xmx(最大)、-Xms(最小)、-Xmn(新生代)等VM引數來設定java堆得大小。若有新物件申請記憶體空間但是java堆沒有足夠的記憶體分配時，會報OOMError。

方法區

方法區（Method Area）也是各執行緒共享的記憶體區域，用於儲存被虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態常量、編譯後的程式碼等資料看，其還有一個別名叫Non-Heap(非堆)，與java堆加以區分。在HotSpot虛擬機器上，也可叫做“永久代”（Permanent Generation）,本質上不等價（HotSpot將GC收集擴充套件到了該區域）。
若要對該區域進行GC，主要是回收常量池以及對型別的解除安裝。該區域在記憶體滿後也會丟擲OOMError異常。

執行時常量池

執行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區內的一部分，Class檔案中除了類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊，還常量池表，用於存放編譯期間生成的葛總常量和符號引，這部分內容在類載入後存放執行時常量池這種（class如何載入會在後面章節提及）。執行時常量池具備動態性，java語言不單單在編譯期間會產生常量，在執行期間也可能將新的常量放入執行時常量池中，如開發人員用了String.intern()方法，之後的異常測試就是用該方法引起常量池丟擲OOMError。

直接記憶體

直接記憶體（Direct Memory）不是虛擬機器執行時資料區域的一部分，也不是JVM規範中定義的記憶體區域，但其也頻繁被使用。自JDK1.4後，引入了基於通道（Channel)與緩衝區的I/O方式，它可以使用native函式庫直接分配堆外記憶體，並通過java堆中的DirectByteBuffer物件操作該塊記憶體。避免了java堆和native堆之間的資料複製，提高了效能。
本機直接記憶體不受java堆大小限制，但是受本機總記憶體大小和處理器的定址空間限制。在動態擴充套件時也會丟擲OOMError異常。

物件訪問

OutOfMemoryError異常

之前對虛擬機器執行時資料區域進行了描述，現在通過例項來驗證OOM異常發生的情況，可以進一步瞭解jvm各記憶體區域的儲存內容，及發生異常的情況。
測試的java版本為:

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)

Java堆溢位示例

之前已經提到，物件例項都儲存在java堆中，所以可以不斷的建立物件且保證物件不被GC就可以讓java堆溢位
編寫如下程式碼清單：

/** 
* @ClassName: HeapOOM 
* @Description: Java堆記憶體溢位異常測試
* @author 祝佳俊([email protected])
* @date 2016年10月18日 下午8:30:13 
* VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
*/
public class HeapOOM {
    static class OOMObject{ 
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new  ArrayList<OOMObject>();
        while(true){
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

並配置執行時的VM引數：

這裡-XX:UseParNewGC是指定用ParNew收集器，預設的是
引數解釋： -Xms:20M:java堆最小20M
-Xmx:20M:java堆最大20M（避免動態擴充套件）
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError:開啟該選項，可以讓虛擬機器在丟擲OutOfMemoryError時Dump出當前記憶體堆轉存快照
執行後，就會有如下輸出：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid3576.hprof ...
Heap dump file created [34233497 bytes in 0.301 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2760)
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2734)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacity(ArrayList.java:167)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:351)
    at study.hard.jjzhu.HeapOOM.main(HeapOOM.java:20)

JVM棧和本地方法棧溢位

之前有提過，HotSpot虛擬機器並沒有區分JVM和本地方法棧。在HotSpot虛擬機器中可以通過制定-Xss引數來指定棧的大小。
編寫如下測試程式碼：

/** 
 * @ClassName: JavaVMStackSOF 
 * @Description: 虛擬機器棧和本地方法棧OOM測試 
 * @author 祝佳俊([email protected])
 * @date 2016年10月18日 下午9:09:21 
 *  VM Args: -Xss128k
 */
public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak(){
        stackLength ++;
        //遞迴呼叫
        stackLeak();

    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try{
            oom.stackLeak();
        }catch(Throwable e){
            System.out.println("stack deep:" + oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

執行後就會報StackOverflowError異常：

stack deep:1007
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at study.hard.jjzhu.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
    at study.hard.jjzhu.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:15)
    at study.hard.jjzhu.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:15)
    at study.hard.jjzhu.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:15)

執行時常量池溢位

String.intern()方法可以向執行時常量池中新增內，所以要達到執行時常量池溢位，執行用本地方法intern()像池中不斷新增字串即可，可以同過-XX:PermSize -XX:MaxPermSize限制方法區大小。

/** 
 * @ClassName: RuntimeConstantPoolOOM 
 * @Description: 方法區和執行時常量池溢位
 * @author 祝佳俊([email protected])
 * @date 2016年10月18日 下午9:18:07 
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        int i = 0 ;
        while(true){
            /* 
             * String.intern()是一個Native方法，作用是:如果字串常量池中已經包含一個等價於此String
             * 物件的字串，則返回常量池中這個字串的String物件，否則，將此String物件包含的字串新增到常量池中，
             * 並返回此String物件的引用
            */
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}
>執行結果：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.String.intern(Native Method)
    at study.hard.jjzhu.memory.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:23)

本機直接記憶體溢位

本機直接記憶體可以通過 -XX:MaxDirectMemorySize指定記憶體大小，若不指定，則預設與java堆得最大值一樣。

/** 
* @ClassName: DirectMemoryOOM 
* @Description:  本機直接記憶體溢位
* @author 祝佳俊([email protected])
* @date 2016年10月18日 下午9:41:40 
* VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=20M
*/
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);
        }
    }
}
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at study.hard.jjzhu.memory.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:21)