Java内存区域与内存溢出异常

《深入理解Java虚拟机》第2章读书笔记与实验记录。

1、对象创建内存分配方式

指针碰撞： Java堆内存绝对规整，使用指针作为分界点指示器
空闲列表：已使用的内存的空闲内存相互交错，虚拟机需要维护一个列表，记录哪些内存可用

2、对象内存布局

HotSpot虚拟机中对象内存布局可以分为三块区域：对象头、实例数据、对齐数据

3、对象访问定位

句柄访问：Java堆划分出一块内存区域作为句柄池，句柄中包含了实例数据和类型数据的具体地址信息，reference则存储的是对象的句柄地址，如下图所示：

通过句柄访问对象.png

优势：reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾回收时移动对象时普遍的行为）时只改变句柄中实例数据指针，reference无需更改。

直接指针访问：reference中存储的直接是对象地址，Java堆中对象的布局必须考虑如何存放访问类型数据相关信息，如下图所示：

通过直接指针访问对象.png

优势：访问速度快，节省了一次指针定位的开销，由于对象的访问在java中非常频繁，因此这类开销极少成多后也是一项非常可观的执行成本。Sun HotSpot也是使用该种方式进行对象访问的。

4、实战：OutOfMemoryError异常

4.1Java堆溢出

虚拟机参数配置: -Xms20M -Xmx20M -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

代码清单：Java堆内存溢出异常测试

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

运行结果：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid10816.hprof ...
Heap dump file created [28348501 bytes in 0.080 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
    at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:265)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:239)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:231)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:462)
    at com.mpoom.jvm.HeapOOM.main(HeapOOM.java:21)

通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对Dump出来的堆转储快照进行分析:

使用Eclipse Memory Analyzer打开的堆转储快照文件.png

4.2虚拟机栈和本地方法栈溢出

在HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此，对于HotSpot来说，虽然-Xoss参数（设置本地方法栈大小）存在，但实际上是无效的，栈容量只由-Xss参数设定。
关于虚拟机栈和本地方法栈，在Java虚拟机规范中描述了两种异常：

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常。
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异常。

虚拟机参数配置:-Xss128K

代码清单：虚拟机栈和本地方法栈OOM测试（仅作为第1点测试程序）

public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;

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

运行结果：

stack length:19211
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at com.mpoom.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
    at com.mpoom.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
    at com.mpoom.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
    at com.mpoom.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
    at com.mpoom.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
......

实验结果表明：在单个线程下，无论是由于栈帧太大还是由于虚拟机容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机都抛出的是StackOverflowError异常。

如果测试不局限于单线程，通过不断建立线程倒是可以产生内存溢出异常

虚拟机参数配置:-Xss2M

代码清单：创建线程导致内存溢出异常

public class JavaVMStackOOM {

    private void dontStop() {
        while(true) {}
    }
    public void stackLeakByThread() {
        while(true) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}

注意：在windows平台上运行上述代码有风险，会导致操作系统假死（做好重启的准备— _ —）。因为在windows在平台的虚拟机中，Java的线程是映射到操作系统的内核线程上的。
本次实验由于系统假死，没有查看到，下面的实验结果是从别处获取的:

Exception in thread"main"java.lang.OutOfMemoryError：unable to create new native thread

4.3方法区和运行时常量池溢出

由于运行时常量池属于方法区的与部分，两个区域的溢出测试放在一起。

4.3.1运行时常量池溢出

String.intern（）是一个Native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含一个等
于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；否则，将此String对象包
含的字符串添加到常量池中，并且返回此String对象的引用。

虚拟机参数配置:-XX:PermSize=10M-XX:MaxPermSize=10M
JDK:1.6

代码清单：运行时常量池导致的内存溢出异常

public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用List保持着常量池引用， 避免Full GC回收常量池行为
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        int i = 0;
        while(true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }

    }
}

运行结果

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.String.intern(Native Method)
    at com.mpoom.jvm.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:18)

从运行结果中可以看到，运行时常量池溢出，在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是“PermGen space”，说明运行时常量池属于方法区（HotSpot虚拟机中的永久代）的一部分。
更改JDK版本为1.8，代码中的while循环将一直执行下去。关于这个字符串常量池的实现问题，还可以引申出一个更有意思的影响，代码如下：

JDK:1.8

代码清单：String.intern（）返回引用的测试

public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        String str1=new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
        System.out.println(str1.intern()==str1);

        String str2=new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern()==str2);
    }
}

运行结果

true
false

这段代码在JDK 1.6中运行，会得到两个false，而在JDK 1.7中运行，会得到一个true和一个false。产生差异的原因是：在JDK 1.6中，intern（）方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中，返回的也是永久代这个字符串实例的引用，而由StringBuilder创建的字符串实例在Java堆上，所以必然不是同一个引用，将返回false。而JDK 1.7（以及部分其他虚拟机，例如JRockit）的intern（）实现不会再复制实例，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，因此intern（）返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串实例是同一个。对str2比较返回false是因为“java”这个字符串在执行StringBuilder.toString（）之前已经出现过，字符串常量池中已经有它的引用了，不符合“首次出现”的原则，而“计算机软件”这个字符串则是首次出现的，因此返回true。

4.3.2方法区溢出

方法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描等。对于这些区域的测试，基本的思路是运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。这里借助CGLib[1]直接操作字节码运行时生成了大量的动态类。

虚拟机参数配置:-XX:PermSize=10M-XX:MaxPermSize=10M
JDK:1.6

Maven依赖

<dependency>
     <groupId>cglib</grupId>
     <artifactId>cglib</artifactId>
     <version>2.1_3</version>
</dependency>

代码清单：借助CGLib使方法区出现内存溢出异常

public class JavaMethodAreaOOM {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                                     public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
                                         return proxy.invokeSuper(obj, args);
                                     }
                                 }
            );
            enhancer.create();
        }
    }

    static class OOMObject {
    }
}

运行结果

Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
    at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(ClassLoader.java:631)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:615)
    ... 8 more

方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常，一个类要被垃圾收集器回收掉，判定条件是比较苛刻的。在经常动态生成大量Class的应用中，需要特别注意类的回收状况。
注意：上述在JDK1.6环境下实验的，JDK1.8下while循环将一直运行下去。

4.4本机直接内存溢出

DirectMemory容量可通过-XX：MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆最大值（-Xmx指定）一样。下面代码越过了DirectByteBuffer类，直接通过反射获取Unsafe实例进行内存分配（Unsafe类的getUnsafe（）方法限制了只有引导类加载器才会返回实例，也就是设计者希望只有rt.jar中的类才能使用Unsafe的功能）。因为，虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常，但它抛出异常时并没有真正向操作系统申请分配内存，而是通过计算得知内存无法分配，于是手动抛出异常，真正申请分配内存的方法是unsafe.allocateMemory（）。

虚拟机参数配置:-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
JDK:1.8

代码清单：使用unsafe分配本机内存

public class DirectMemoryOOM {
    private static final int _1MB = 1024*1024;

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

运行结果

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at com.mpoom.jvm.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:21)

总结：本章主要学习了虚拟机的内存是如何划分的，哪部分区域、什么样的代码和操作会导致内存溢出异常。