深入理解java虚拟机（一）

一、Java 内存区域与内存溢出异常

1.1 运行时数据区域

java虚拟机在执行java程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域各有各自的用途，以及创建时间和销毁时间，有的区域随着虚拟机的进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范》的规定，java虚拟机的内存将会包括几个运行时数据区域：

1.1.1 程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间，可以当作程序执行的行号指示器。它用来控制程序的分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能。

因为每个线程都是独立执行的，为了能够在切换线程后能恢复到正确的执行位置，每个线程都需要有独立的程序计数器，独立存储互不影响，这类内存区域称为“线程私有”内存。

如果正在执行Java方法，则记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果正在执行本地方法，这个计数器则应为空(Underfined)。此区域是《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

1.1.2 Java虚拟机栈

与程序计数器一样，虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)也是线程私有的，他的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：方法执行时，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧(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。每个方法的调用到结束，就对应栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈的过程。

我们常关注的内存区域的“堆”和“栈”中“栈”，通常就是虚拟机栈，实际上应该指的是虚拟机栈中的局部变量表部分。

局部变量表存放了Java虚拟机基本的数据类型（原始数据类型）、对象引用（类引用、数组引用、接口引用）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址，returnAddress类型与Java编程语言类型没有直接关联）。

这些数据类型在局部变量表中都以局部变量槽（Solt）来表示，其中long、double都会占用两个槽，其余的数据类型只有一个。具体的大小还要和虚拟机的具体实现相关，如果一个槽可能占32个比特、64个比特。

《Java虚拟机规范》中，虚拟机栈中规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，将抛出StackOverflowError（最常见的就是循环调用）；如果虚拟机栈容量可以动态扩展（和虚拟机的实现有关，Classic虚拟机允许扩展，HotSpot是不允许的，所以只要申请栈空间成功了就不会出现OOM，如果申请失败会出现OOM），当栈扩展时无法申请到足够的内存则会跑出OutOfMemoryError。

1.1.3 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈的作用非常相似，一个是为执行Java方法服务，一个是为执行本地方法服务。《Java虚拟机规范》中对其没有做强制规定（Hotspot甚至把它合二为一），两者都会抛出StackOverflowError和OOM。

1.1.4 Java堆

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此也被称为“GC堆”。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java世界“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。垃圾收集器大部分都是基于分代收集设计的，所以Java堆中经常会出现“新生代”、“老年代”、“永久代”、“Eden空间”、“From Survivor空间”、“To Survivor空间”名词。

从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），以提升对象分配时的效率。

Java堆既可以被实现成固定大小，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展时，就会抛出OOM异常。

1.1.5 方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等区域。虽然《Java虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它却有一个别名叫做“非堆”（Non-Heap），目的是为了和Java堆区分开来。

方法区和永生代不是等价的，具体的虚拟机的实现是不同的。《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，甚至可以不实现垃圾收集。并不是进入方法区就如同永生代的名字一样“永久”存在，这区域的回收目标主要是对常量池的回收和对类型的卸载。如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OOM异常。

1.1.6 运行时常量池

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表（Constant Pool Table），用来存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

运行时常量池对于Class文件常量池的另外一个重要的特征就是具有动态性，有些特性可以在运行时将常量放入池中，比如String#intern()方法。

运行时常量池在无法申请到内存的时候也会抛出OOM异常。

1.1.7 直接内存（堆外内存）

Java应用程序通过直接方法（Unsafe类、本地方法等）申请的内存，这部分内存不会受到Java堆大小的限制，当内存超过物理内存限制的时候也会导致出现OOM异常。

1.2 HotSpot虚拟机对象探秘

1.2.1 对象的创建

语言层面上可以简单通过new、clone、反射、反序列化等方式创建一个对象。

HotSpot虚拟机对象创建过程如下图所示：

指针碰撞（Bump The Pointer）：假设内存规整，使用的内存和空闲的内存各放一边，中间放一个指针来作为分界，分配内存就是将指针向空闲空间移动一个和对象大小相等的距离；
空闲列表（Free List）：使用的内存和空闲内存交错，虚拟机维护一个列表，记录可用的内存，然后从列表中寻找一块足够大的内存；

一般内存是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩功能（Compact）能力决定。因此当使用Serial、ParNew等压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，简单而高效；当使用CMS这种基于清除（Sweep）算法的收集器时，理论上只能采用复杂的空间列表来分配。

另一个要考虑的问题就是并发，怎么保证多个线程同时分配内存的情况。解决这个问题有两个可选方案：

对分配内存进行同步——实际上采用CAS配上失败重试的方法保证更新操作的原子性；
每个线程在Java堆中预先分配一小块内存：本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），只有本地缓冲区用完了才会需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来决定。

初始化零值，如果使用TLAB的话，这项工作可以提现到TLAB分配时顺便进行。

设置对象头信息，例如这是哪个类的实例、如何找到类的元数据信息、对象的哈希码（实际是调用Object#hashCode()时才会计算）、对象的GC分代年龄、是否启用偏向锁等信息。

到这时，从虚拟机视角一个对象已经产生了，从Java程序视角来看，对象创建才刚刚开始——构造函数（()方法还没有执行），所有的字段都为默认的零值，其他资源和状态也没有初始化。一般来说new指令后接着执行()方法，这样在Java视角里对象才会被创建。

1.2.2 对象内存布局

HotSpot虚拟机中，对象在内存中的存储布局分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

对象头一般包含两类信息：

Mark Word：存储对象自身运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、所状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等（大小和虚拟机位数相关）；
Klass Pointer：对象指向它的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例；如果对象是Java数组，还有一块记录数组长度的数据，虚拟机可以确定普通对象的大小，但是数组长度不确定，就无法算出数组的实际大小；为了节约内存可以使用选项 -XX:+UseCompressedOops 开启指针压缩，其中 oop即ordinary object pointer 普通对象指针；

实例数据部分才是真正存储的有效信息，即我们定义的各种类型的字段内容，无论是父类继承还是子类的字段。字段顺序会受HotSpot虚拟机分配策略参数-XX:FieldsAllocationStyle和字段在Java源码中的定义顺序影响。如果HotSpot虚拟机参数+XX:CompactFields为true（默认为true），子类的字段可以插在父类的空隙中，以节省空间。

对象填充就是占位符的作用，HotSpot虚拟机要求对象起始地址都是8字节的整倍数。所以就需要填充来对齐。

1.2.3 对象的访问定位

对象的访问方式由虚拟机实现而定，主流的访问方式有使用句柄和直接访问指针两种：

句柄访问：Java堆中分出一块内存作为句柄池，reference中存储对象句柄地址，句柄包含了对象实例数据和类型数据各自的地址；
直接指针访问：Java堆中对象的内存中就放入对象类型数据，reference就是对象地址；

直接使用指针最大的好处就是速度快，HotSpot主要使用直接指针方式进行访问（如果使用了Shenandoah收集器，会有一次额外转发）。

1.3 OOM异常

1.3.1 Java堆溢出

堆最小值参数-Xms和最大值-Xmx设置成一样可以避免自动扩展，通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现OOM的时候自动Dump内存堆转储快照。

/**
 * VM args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 *
 * @author wttch
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        var list = new LinkedList<>();
        while (true) {
            list.add(new Demo());
        }
    }
}

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid58590.hprof ...
Heap dump file created [37138671 bytes in 0.091 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at Demo.main(Demo.java:16)

使用工具（如Eclipse Memory Analyzer，Idea也可以直接打开.hprof文件）分析，先确认是内存泄漏（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）。

内存泄漏：查看内存泄漏对象的GC Roots引用链，找到内存泄漏对象的引用路径，从而找出为什么无法回收它们。

不是内存泄漏：看那些对象是必须存活的，调整参数或者检查让生命周期过长的对象设计是否合理。

1.3.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

HotSpot虚拟机并不区分虚拟机栈和本地方法栈，对HotSpot来说-Xoss参数（设置本地方法栈大小）虽然存在但没有任何效果，栈容量只能由-Xss参数来设定。

《Java虚拟机规范》在此处定义了两种异常：

如果线程请求的栈深度大雨虚拟机所允许的最大深度，将会抛出StackOverflowError；
如果虚拟机的栈内存允许动态扩展，当扩展栈容量无法申请到足够的内存时，将抛出OOM；

HotSpot虚拟机是不支持栈的动态扩展的，所以只会因为栈容量无法容纳新的栈帧而抛出StackOverflowError。


/**
 * JVM args: -Xss1m
 *
 * @author wttch
 */
public class JvmStackSOF {
    private int stackLength = 1;

    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
        JvmStackSOF stackSOF = new JvmStackSOF();
        try {
            stackSOF.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("Stack Length:" + stackSOF.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

异常信息：

1
2
3

> Task :JvmStackSOF.main() FAILED
Stack Length:14807
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError

缩减栈内存容量（注意⚠️：虚拟机会有一个最小栈内存限制，小于该限制值虚拟机将无法启动）：

1	`JVM args: -Xss500k`

异常信息：

1
2
3

> Task :JvmStackSOF.main() FAILED
Stack Length:4296
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError

添加大量本地变量：

/**
 * JVM args: -Xss1m
 *
 * @author wttch
 */
public class JvmStackSOF {
    private int stackLength = 1;

    public void stackLeak() {
        long a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7, a8, a9, a10;
        a1 = a2 = a3 = a4 = a5 = a6 = a7 = a8 = a9 = a10 = 1L;
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
        JvmStackSOF stackSOF = new JvmStackSOF();
        try {
            stackSOF.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("Stack Length:" + stackSOF.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

异常信息：

1
2
3

> Task :JvmStackSOF.main() FAILED
Stack Length:8940
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError

使用-Xss参数减少栈内存容量，抛出StackOverflowError，异常出现时输出的堆栈深度也会相应地减小；
定义大量本地变量，增大此方法的本地变量表的长度，抛出异常时堆栈的深度也会相应的减少；

1.3.3 方法区和运行时常量池溢出

JDK8以后，运行时常量池是在堆内的，通过使用-Xmx参数限制对内存，产生运行时常量池的溢出。

/**
 * JVM args: -Xmx3m
 *
 * @author wttch
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        var set = new HashSet<String>();

        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            set.add(String.format("运行时常量：%d", i).intern());
        }
    }
}

异常信息：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.base/java.util.Formatter.format(Formatter.java:2689)
	at java.base/java.util.Formatter.format(Formatter.java:2625)
	at java.base/java.lang.String.format(String.java:4140)
	at com.wttch.demo.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:15)

方法区溢出不是特别好操作，在JDK8之前可以通过CGLib生成大量的动态类，JDK8之后“永生代”被“元空间”代替后方法区就更难迫使虚拟机产生方法区的溢出异常了。

HotSpot提供了一些“元空间”的防御措施：

-XX:MaxMetaspaceSize：设置元空间最大值，默认是-1，即不限制，或者说受限于本地内存大小；
-XX:MetaspaceSize：元空间的初始空间大小，以字节为单位，达到该值就会触发垃圾收集器进行类型卸载，同时收集器会对该值进行调整：如果释放了大量空间，就是适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过-XX:MaxMetaspaceSize适当提高该值；
-XX:MinMetaspaceFreeRatio：在垃圾收集之后控制最小的元空间剩余容量的百分比，可减少元空间不足导致的垃圾收集的频率。-XX:MaxMetaSpaceFreeRatio相反的功能。

1.3.4 本地内存溢出

直接内存导致的溢出，一般Heap Dump文件中不会看到有什么明显的异常信息，如果溢出后Dump文件很小，就有可能是直接内存溢出了。

java

#java #jvm #笔记

深入理解java虚拟机（一）

https://wttch96.github.io/post/java/jvm/深入理解java虚拟机/深入理解java虚拟机（一）.html

作者

Wttch

发布于

2022年5月13日

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