JVM学习笔记四 之 运行时数据区

一、概述

运行时数据区是jvm运行时的内存布局，类装载到内存后存放的位置，为执行引擎提供所需指令和数据。运行时数据区包括：堆、栈、方法区、本地方法栈、pc计数器。

接下来会详细介绍各个部分，并介绍直接内存访问和方法区中的常量池，另外对于每个区域可能发生的内存异常用demo做讲解。

二、详细介绍各部分

1、堆

分配运行时产生的对象分配在堆中，但是并不是一定就分配在堆中，随着运行时编译器优化技术的不断进步，逃逸分析和标量替换技术的不断成熟，对象也可以分配到栈中。由于jvm内存是由虚拟机自己分配和回收，不需要开发人员手工干预，所以jvm一般会提供gc功能，但是jvm spec并没有明确要求必须提供。

整个系统只有一个堆，所有的对象分配都在一个逻辑区域。堆是一个多线程共享的区域，所以对堆中对象的访问就需要考虑并发。（jvm有什么措施）。

在jvm的实现中，一般堆都会划分成不同的区域，比如hotspot vm的堆划分为年轻代Eden、中生代Survivor和年老代Tenured区域，根据对象存活的年龄放到不同的区域，区域的大小可以通过参数设置。这些讲到gc的时候会详细讲解。

如果要存放的对象超过了堆的最大大小，则会抛出OutOfMemoryError，简称OOM异常。

2、栈

栈主要是运行时存放在方法调用信息（编译器已确定占用空间的东西怎么体现）的区域，栈是线程私有的，每个线程都有一个栈，线程生而栈生，线程死而栈灭。

栈中内存不需要额外收集，每次方法调用完成后都会自动回收。hospot vm中可以通过-Xss设置栈大小，默认是2m。

每次方法调用，都会产生一个栈帧，方法调用结束都会弹出栈帧。栈帧主要包括局部变量表、操作数栈、帧数据区。帧数据区又包括运行时解析常量池会用到的常量池指针、方法返回信息、指向异常的信息（还有什么）

所有栈占用的内存大小怎么计算？虚拟机整个的内存-堆内存-方法区内存-pc计数器-本地方法栈？

如果栈可以动态的在堆中分配，则如果分配不了更多的栈内存的时候会抛出OOM异常，否则会抛出StackOverflowError

3、方法区

方法区存class文件加载到内存后的类型信息，如类型描述符、全限定名、接口、字段、方法、属性信息，还有运行时常量池、指向堆中Class实例和ClassLoader实例的信息。另外还存放jit编译产生的本地代码。

方法区在逻辑上是堆的一部分，但是不同的虚拟机有不同的叫法，hotspot叫做non-heap内存，IBM J9和Jrockit则没有这种叫法。hotspot后续版本也会去掉这种叫法，放到native memory的区域

方法区的类型信息也可以卸载，及gc，但是比较严格，像java动态代理生成的代理类经常会被卸载。类型信息要被卸载必须满足这些条件：a、类型所有实例都被回收了 b、Class对象被回收了 c、加载该类的ClassLoader已经被回收 d、还有什么

该区域也会内存溢出，溢出时候抛出OOM异常，如果jar包太多而方法区内存太小或者运行时动态向常量池添加太多东西，就会抛出OOM

4、本地方法栈

执行本地代码的时候用到的栈，hotspot的本地方法栈和栈是同一块区域。

5、pc计数器

指向当前线程将要指向的下一条指令，线程私有的区域，一个线程有一个pc计数器。该区域不会抛出异常。一个字长

6、Direct Memory

java1.4开始提供了NIO，大量读取数据的时候，不用先把数据拷入jvm内存中，直接从os内存读取。所以该区域不占用jvm的堆内存，通过参数-XX:MaxDirectMemorySize设置该区域大小，如果不设置默认跟堆大小一样大。

该区域会抛出OOM异常，何时？

7、常量池

类文件的常量池装载进内存后同样会形成常量池，这是运行时常量池。与类文件常量池不同的是，运行时常量池在使用的时候需要解析，需要把一些entry的符号引用转化成直接引用。

如3提到，此区域在内存不够用时会抛出OOM。

三、例子

1、堆

先创建一个包含大对象的类

package com.yymt.jvm;
public class BigObejct {
    int[] value;
    private static final int M1 = 1024 * 1024;

    public BigObejct() {
        //4 * 1m = 4m
        this.value = new int[M1];
    }
}

   循环创建类，注释中-Xmx10m是启动时虚拟机参数，最大堆内存是10m

package com.yymt.jvm.oom;

import com.yymt.jvm.BigObejct;

public class HeapOOM {

    /**
     * -Xmx10m
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        BigObejct[] objs = new BigObejct[20];
        for(int i = 0;i < 20;i++){
            objs[i] = new BigObejct();
        }
    }

}

堆溢出，注意此处OutOfMemoryError: Java heap space表明是堆空间溢出

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at com.yymt.jvm.BigObejct.<init>(BigObejct.java:8)
    at com.yymt.jvm.oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:15)

  2、栈溢出错误StackOverflowError

package com.yymt.jvm.oom;

public class StackOverflow {

    /**
     * -Xss500k 如果加上此参数则不会出现StackOverflowError
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        recursiveInvoke(5000, 1, 1);
    }
    public static void recursiveInvoke(int cnt,int param1,int param2){
        if(cnt == 0){
            return;
        }
        int newCnt = cnt - 1;
        int param3 = param1 + param2;
        int param4 = param1 - param2;
        recursiveInvoke(newCnt, param4, param3);
    }

}

 不加-Xss参数时候就直接异常了，至少在我的机子上如此；-Xss100k也可以出异常，-Xss500k就正常运行

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at com.yymt.jvm.oom.StackOverflow.recursiveInvoke(StackOverflow.java:13)
    at com.yymt.jvm.oom.StackOverflow.recursiveInvoke(StackOverflow.java:19)
......

 3、方法区

3.1、如果系统非常庞大，比如说一个很大的产品，如ERP系统、CRM系统，里边有非常多的jar包，运行期这些jar都要加载到内存中，而如果方法区设置的过小，就会导致OOM。在客户分阶段上线过程中，第一阶段只上部分模块，比如erp系统只上财务模块，第二期上供应链，第三期上hr、制造，如果前期MaxPermSize设置的过小，就会导致后期部署完相关模块运行过程中出现方法区溢出。此处因为系统代码庞大，代码无法上传。注意此处是PermGen space

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

 3.2、如果动态创建无数的类放到内存中同样会出现这个问题

package com.yymt.jvm.oom;

import java.lang.reflect.Method;

import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

public class PermGenOOM {

    /**
     * -XX:MaxPermSize=10m
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 5000000; i++) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(DynClz.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                @Override
                public Object intercept(Object arg0, Method arg1,
                        Object[] arg2, MethodProxy arg3) throws Throwable {
                    return arg3.invokeSuper(arg0, arg2);
                }
            });
            enhancer.create();
            Thread.sleep(20);
        }
    }
}

 

 异常：

 

Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

 4、Direct Memory

package com.yymt.jvm.oom;
import java.lang.reflect.Field;

import sun.misc.Unsafe;

public class DirectMemoryOOM {

    private static final int M1 = 1024 * 1024;

    /**
     * @param args
     * @throws IllegalAccessException
     * @throws IllegalArgumentException
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws IllegalArgumentException,
            IllegalAccessException, InterruptedException {

        Field unsafeFld = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeFld.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeFld.get(null);
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            unsafe.allocateMemory(M1);
            Thread.sleep(2);
        }
        Thread.sleep(100000);

    }

}

这部分内存的使用情况，目前visualvm工具中是检测不到的

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at com.yymt.jvm.oom.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:24)

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