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(1):JAVA内存区域与内存溢出异常

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1,运行时数据区域

根据JAVA虚拟机规范的规定:JAVA虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域

 

 

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器,通过改变计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令、分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能。每条线程都需要一个独立的程序计数器,各条线程之间的计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存,也是唯一不会出现OutOfMemoryError情况的区域。

 

JAVA虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有,它的生命周期与线程相同,用来描述JAVA方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧,用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等。每一个方法从被调用到执行完成的过程,也就一个栈帧在虚拟机栈从入栈到出栈的过程。

    在JAVA虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常状况: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。如果虚拟机可以动态扩展,当扩展到无法申请到足够的内存时,会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈(Native Method Stacks)与上述的虚拟机栈非常类似,只是虚拟机栈为执行JAVA方法服务,而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。

 

 JAVA堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理内存中最大的一块,被所有线程共享,在虚拟机启动时创建,此内存区域的唯一目的就是为了存放对象实例。JAVA堆是垃圾回收器管理的主要区域。如果堆中没有足够的内存完成实例分配,并且堆无法扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

 

方法区(Method Area)方法区也被称为“持久代”,此内存区域与堆一样,也是线程共享的。它用于存储已被虚拟机加载的类(java.lang.Class)信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。垃圾回收行为在这个区域是比较少见的,并且可以选择不回收。

当此区域无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

 

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,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区的运行时常量池。当常量池无法再分配到内存时,也会抛出OutOfMemoryError异常。

 

直接内存(Direct Memory)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,但是这部分内存也频繁被使用,并且也可能抛出OutOfMemoryError异常。如NIO可以使用Native函数库直接分配堆外内存。

 

2,对象访问

介绍完JAVA运行时数据区域后,再看看JAVA对象访问是如何进行的。

即使是最简单的访问,也会涉及JAVA栈、JAVA堆、方法区三个最重要的内存区域,如下代码

Object obj = new Object();

假设这段代码出现在方法体中,那"Object obj"这部分的语义将会反映到JAVA栈的局部变量表中,作为一个reference类型的数据出现,因此就存在虚拟机栈中。 而"new Object();"这部分的语义将会反映到JAVA中,形成一个存储了Object类型所有实例数据值(Instance Data,对象中各个实例字段的数据)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(如对象类型、父类、实现的接口、方法等)的地址信息,这些类型数据则存储在方法区中。

  由于reference类型在JAVA虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用,并没有规定用哪种方式去实现,因此不同的虚拟机实现的方式会有所不同,主流的访问方式有两种:使用句柄与使用指针:

 

句柄:JAVA堆中会划分出一块内存来作为字柄池,reference存放的是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例和类型数据各自的具体地址信息: 如下图所示 :

 

指针:如果使用指针访问方式,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

这两种方式各有优势,使用句柄访问最大的好处就是reference存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针,而reference本身不需要被修改。使用指针的好处就是速度快,节省一次指针定位的时间开销。Sun HotSpot虚拟机使用第二种方式进行对象访问。

 

3,实战:OutOfMemoryError异常

 在JAVA虚拟机规范描述中:除了程序计数器外,其它几个内存区域都有发生OutOfMemoryError异常的可能,本节通过若干实例来验证异常发生的场景。

注意:每个示例代码的开头都会注明虚拟机启动参数的设置,具体设置方法如下图:

 

3.1:JAVA堆溢出:

package com.chapter1;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * -Xms20m -Xmx20m 
 */
public class HeapOOm {
	static class OOmObject{
	}
	public static void main(String[] args) {
		List<OOmObject> oomList = new ArrayList<OOmObject>();
		while(true){
			oomList.add(new OOmObject());//不断生成新对象
		}
	}
}

 

运行结果:

 

-Xms表示堆内存的最小值,-Xmx表示堆内存的最大值。
上例通过不断生成新对象,导致内存溢出。

 

3.2虚拟机栈和本地方法栈溢出

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

一般在单线程程序情况下无法产生OutOfMemoryError异常

 

package com.chapter1;

/**
 * -Xss128k 
 */
public class JavaVMStackSOF {
	private int stackLength = 1;
	public void stackLeak(){
		stackLength ++;
		stackLeak();
	}
	public static void main(String[] args) throws Throwable {
		JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
		try {
			oom.stackLeak();
		} catch (Exception e) {
			System.out.println("stack lenght:"+oom.stackLength);
			throw e;
		}
	}
}

 

运行结果:

 

下面这个示例,尝试使用多线程方式得到OutOfMemeoryError的结果,但在本人电脑上运行以下代码,电脑一直处于假死状态,无法验证。 -Xss参数是用于设置每个线程的堆栈大小

package com.chapter1;

/**
 *-Xss2M 
 */
public class JavaVMStackOOM {
	private void dontStop(){
		while (true) {
		}
	}
	public void stackLeakByThread(){
		int i = 0;
		while(true){
			System.out.println(i++);
			Thread thread = new Thread(new Runnable() {
				public void run() {
					dontStop();
				}
			});
			thread.start();
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
		oom.stackLeakByThread();
	}
}

 3.3运行时常量池溢出

package com.chapter1;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 *-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){
			System.out.println(i);
			list.add(String.valueOf(i++).intern());
		}
	}
}

 运行结果:

3.4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,方法描述等。对于这个区域的测试,大概思路是运行时产生大量的类去填满方法区,直到溢出,本例使用CGLib直接操作字节码,生成大量动态类

package com.chapter1;

import java.lang.reflect.Method;
import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

/**
 *-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M 
 */
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{
	}
}

 由于CGLib的原因,本例在我电脑上并未调试通过。

3.5 本机直接内存溢出

DirectMemory容量可以通过-XX:MaxDirectMemorySize指定,如果不指定,则默认与JAVA堆的最大值一样,本例在我电脑上也未调试通过。

package com.chapter1;

import java.lang.reflect.Field;
import sun.misc.*;
/**
 *-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M 
 */
public class DirectMemoryOOM {
	private static final int _1MB = 1024*1024;
	public static void main(String[] args) {
		Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
	}
}

 

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评论
1 楼 makemyownlife 2012-02-06  
分析得很详实

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