jvm内存模型

Posted 2020-11-01 StoneGeek

　　对于我们大多数java开发人员来说，jvm是我们不得不深入了解的东西，因为java开发是离不开jvm的，是基于java虚拟机之上运行的，而本节我将和大家分享一下jvm的内存模型（即运行时数据区）以及它们在某种情况下内存溢出时产生的异常。

一、运行时数据区

1、程序计数器

　　程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器；为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为线程私有的内存；此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何**OutOfMemoryError**情况的区域

2、Java虚拟机栈

　　Java虚拟机栈是线程私有的，生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。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，如果虚拟机栈可以动态扩展，扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出**OutOfMemoryError**异常本地方法栈与虚拟机栈非常相似，虚拟机栈为虚拟机执行Java方法，而本地方法栈为虚拟机执行Native方法

3、Java堆

　　Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存，也是垃圾收集器管理的主要区域，被称作“GC堆”，如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出“**OutOfMemoryError**”异常
为了使JVM能够更好的管理堆内存中的对象，包括内存的分配和回收，堆被换分为两个不同的区域：**新生代**、**老年代**，默认比例为1：2（可以通过-XX:NewRatio），新生代又可以被划分为三个区域**Eden**、**From Survivor**、**To Survivor**，默认的比例为8：1：1（可以通过-XX:SurvivorRatio来设定，比如=3即3：1：1）

4、方法区

　　方法区（永久代）是各个线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出**OutOfMemoryError**异常

5、运行时常量池

　　运行时常量池是方法区的一部分，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进入方法区的运行时常量池中存放。线程共享，当常量池无法再申请到内存时会抛出**OutOfMemoryError**异常

二、各个数据区产生的异常

1、java堆溢出

　　java堆用于存储对象实例，只要不断地创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么在对象数量到达最大堆的限制后就会产生内存溢出异常
下述代码限制java堆的大小为20MB，不可扩展（将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmm参数设置为一样即可避免堆自动扩展），通过-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便时候可以分析

// -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
public class HeapOOM {
　　static class OOMObject{
　　}
　　public static void main(String[] args) {
　　　　List<OOMObject> list=new ArrayList<OOMObject>();
　　　　while(true){
　　　　list.add(new OOMObject());
　　　　System.out.println("------");
　　　　}
　　}
}

打印异常：
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid14612.hprof ...
Heap dump file created [19332773 bytes in 0.186 secs]

2、虚拟机栈溢出

　　通过-Xss参数可以设置栈内存容量
　　在单线程操作下，无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈帧容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常

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

打印异常：
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
___---___---stack length:955

如果测试时不限于单线程，通过不断地建立线程的方式倒是可以产生内存溢出异常

public class JavaVMStackSOF { 
　　　　private void dontstop(){
　　　　while(true){
　　　　}
　　　　}
　　　　public void stackLeakByThread(){
　　　　　　while(true){
　　　　　　　　Thread thread=new Thread(new Runnable() {
　　　　　　　　　　@Override
　　　　　　　　　　public void run() {
　　　　　　　　　　　　dontstop();
　　　　　　　　}
　　　　　　});
　　　　　　　　thread.start();
　　}
　　}
　　　　　　public static void main(String[] args) {
　　　　　　　　JavaVMStackSOF oom=new JavaVMStackSOF();
　　　　　　　　oom.stackLeakByThread();
}　

解释：
此时会抛出OutOfMemoryError异常

3、方法区和运行时常量池溢出         

　　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。在JDK1.6及以前的版本中，由于常量池分配在永久代内，我们可以通过-XX：PremSize和-XX：MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量，

List<String> list=new ArrayList<String>();
int i =0;
while(true){
list.add(String.valueOf(i++).intern());}

此时会抛出OutOfMemoryError:PerGen space

JDK1.7运行就不会得到相同的结果，while()循环将一直进行下去，因为JDK1.7开始逐步“去永久代”

4、jdk版本不同结果不同

执行下面一段代码（jdk1.6、jdk1.7）

String str1=new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
System.out.printIn(str1.intern() == str1);
String str2=new StringBuilder("ja").append("va").toString();
System.out.printIn(str2.intern() == str2);

详解：
　　这段代码在JDK1.6中运行，会得到两个false，而在JDK1.7中，会得到一个true和false，在JDK1.6中，intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中，返回的也是永久代中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JDK1.7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()之前以前出现过
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