《深入理解Java虚拟机》学习笔记之内存分配

JVM在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分若干个不同的数据区域，如下图：

大致可以分为两类：线程私有区域和线程共享区域。

线程私有区域

1. 程序计数器(Program Counter Register): 是一块很小的内存，可以看做是当前线程所执行的字节码行号指示器，虚拟机根据计数器值获取吓一条要执行的指令。
2. JVM栈:虚拟机栈(JVM stacks)，每个方法被执行时都会同时创建一个栈帧(stack frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
3. 本地方法栈(Native Method Stacks):与虚拟机栈的作用类似，但区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用的Native方法服务。有些虚拟机如Sun HotSpot把它与虚拟机栈合二为一。
   

线程共享区域

1. Java堆(Java Heap):是Java编程最频繁使用和最大的内存区域，也是垃圾收集器管理的主要区域，此区域唯一存在的目的就是存放对象实例和数组。
2. 方法区(Method Area):用于储存已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、及时编译器编译后的代码等数据。
3. 运 行时常量池(Runtime Constant Pool):是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、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），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法去的运行时常量池中。

其实还一块 内存即直接内存(Direct Memory)，它并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但这部分内存也被频繁地使用，并且可能导致OOM异 常。如NIO可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用 进行操作，这显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

内存异常

程 序计数器是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OOM(OutOfMemoryError)情况的区域，其他区域在无法再申请到足够的内存时就会 抛出OOM异常，而虚拟机栈和本地方法栈除了OOM异常外，当线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时将抛出StackOverflowError异 常。

对象访问

即使最简单的对象访问，都会涉及到Java栈、Java堆和方法区这三个最重要的区域。如：

Object obj = new Object();

“Object obj”将反映到JVM栈的局部变量表中，作为一个reference类型数据出现；而“new Object()”将反映到Java堆中，形成一块储存了Object类型所有实例数据值的结构化内存；另外在Java堆中还必须包含能查找到此对象类型 数据信息(如对象类型、父类、实现的接口、方法等)，这些类型数据则储存在方法区。

由于Java虚拟机规范之规定了reference类型指向对象的引用，并没有定义寻址方式，因此目前有两种主流的寻址方式：使用句柄和直接指针。

如果使用句柄访问方式，Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息，如下图所示

 如果使用直接指针访问方式，Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference 中直接存储的就是对象地址，如下图所示

异常示例

1. Java堆溢出OOM

   package net.oseye.demo;
   
   import java.util.ArrayList;
   import java.util.List;
   /**
    * VM Args:-Xms20m -Xmx20m
    */
   public class App 
   {
       public static void main( String[] args )
       {
           List<OOMObject> list=new ArrayList<App.OOMObject>();
           
           while(true){
           	list.add(new OOMObject());
           }
       }
       static class OOMObject{}
   }

   执行

   java -Xms20m -Xmx20m net.oseye.demo.App

   报的溢出信息

   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.ensureCapacityInternal(Unknown Source)
   at java.util.ArrayList.add(Unknown Source)
   at net.oseye.demo.App.main(App.java:15)

   ps：通过虚拟机参数“ -Xms20m -Xmx20m”将Java堆最大最小大小设置为20M，即不可扩展；使用List是为了保证GC Roots到list对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除list对象；
2. 虚拟机栈StackOverFlowError

   package net.oseye.demo;
   /**
    * VM Args：-Xss256k
    */
   public class App {
   
   	private int stackLength = 1;
   
   	public void stackLeak() {
   		stackLength++;
   		stackLeak();
   	}
   
   	public static void main(String[] args) throws Throwable {
   		App oom = new App();
   		try {
   			oom.stackLeak();
   		} catch (Throwable e) {
   			System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);
   			throw e;
   		}
   	}
   }

   执行

   java -Xss256k net.oseye.demo.App

   异常信息

   stack length:1890
   Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
   at net.oseye.demo.App.stackLeak(App.java:11)
   at net.oseye.demo.App.stackLeak(App.java:11)
   at net.oseye.demo.App.stackLeak(App.java:11)

   这个测试我是在ubuntu下做的，是单线程的，每个线程都有属于自己的虚拟机栈，当一个方法被调用时就会产生这个方法相关的一个栈帧，当方法执行完毕这个栈帧才会从栈顶pop掉，而实例中使用了递归就会一直向虚拟机栈push栈帧直到深度大于所允许的深度时旧会抛出StackOverFlowError。
   PS：这里扑捉异常使用的是Throwable，如果使用Exception就不能显示出println的信息，此处不解，有待学习。
3. 虚拟机栈 OOM
   可以开多个线程让虚拟机栈OOM，但其实这不是虚拟机栈抛出的，只是由于分给栈的内存多了自然会让虚拟机进程内存少了。这里不妨把XSS设置大一些。注意这里有风险哦，会造成操作系统假死，我在ubuntu下执行不仅ubuntu死了，我直接按电源启动ubuntu还让操作系统崩溃了，启动时报的异常“No init found. Try passing init= bootarg”，然后按照这个方法才修复了操作系统。

   package net.oseye.demo;
   
   /**
    * VM Args：-Xss10m
    */
   public class App {
   
   	public static void main(String[] args) throws Throwable {
   		App app = new App();
   		app.stackLeakByThread();
   	}
   
   	private void dontStop() {
   		while (true) {
   			System.out.println(Thread.currentThread().getId());
   		}
   	}
   
   	private void stackLeakByThread() {
   		while (true) {
   			Thread thread = new Thread(new Runnable() {
   				@Override
   				public void run() {
   					dontStop();
   				}
   			});
   			thread.start();
   		}
   	}
   }

   执行后报的异常类似

   java.lang.OutOfMemoryError：unable to create new native thread

4. 运行时常量池溢出
   如果向要运行时常量池中添加内容，最简单的做法就是使用String.intern()这个Native方法。该方法的作用是：如果池中已经包含了一个等于此String对象的字符串，则返回idaibiao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。由于常量池分配在方法区内，我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小，从而间接限制其中常量池的容量：

   package net.oseye.demo;
   
   import java.util.ArrayList;
   import java.util.List;
   
   /**
    * VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
    */
   public class App {
   
   	public static void main(String[] args) throws Throwable {
   		List<String> list=new ArrayList<String>();
   		int i=0;
   		while(true){
   			list.add(String.valueOf(i).intern());
   		}
   	}
   }

   这是书上的例子，说会报异常：

   Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
   at java.lang.String.intern(Native Method)

   但我一直没跑出这个异常(win7，⊙﹏⊙b汗这个总结先后在win2003、ubuntu、win7上做的)，及时又重新设小了PermSize。
   PS：google了之后才知道在jdk6及之前都会报上述异常，但jdk7就不会，而我用的是jdk7.简单来说就是在JDK 7里String.intern生成的String不再是在perm gen分配，而是在Java Heap中分配。
5. 方法区溢出
   访法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这个区域的测试，基本思路是运行时产生大量的类去填满访法区，直到溢出。书中是借助CGLib框架直接操作字节码，生成大量的动态类：

   package net.oseye;
   
   import java.lang.reflect.Method;
   
   import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
   import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
   import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;
   
   /**
    * VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
    */
   public class App {
   
   	public static void main(String[] args) throws Throwable {
   		while (true) {
   			Enhancer enhancer = new Enhancer();
   			enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
   			enhancer.setUseCache(false);
   			enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
   
   				public Object intercept(Object arg0, Method arg1,
   						Object[] arg2, MethodProxy arg3) throws Throwable {
   					return arg3.invokeSuper(arg0, arg2);
   				}
   			});
   			enhancer.create();
   		}
   	}
   
   	static class OOMObject {
   	}
   }

   书中说会报异常：

   java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
   at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
   at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(ClassLoader.java:632)
   at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:616)

   但遗憾的是我的测试依然没有出现上述异常，而只是报(JDK7)

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

6. 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，代码清单2-9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()。

   package net.oseye;
   
   import java.lang.reflect.Field;
   import sun.misc.Unsafe;
   
   /**
    * VM Args：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
    */
   public class App {
   
   	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);
   		}
   	}
   }

   异常

   Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
   at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
   at net.oseye.App.main(App.java:19)