深入理解JVM笔记之内存管理机制

运行时数据区域

程序计数器

每个线程都有一个程序计数器（PC），是当前线程所执行的字节码的行号指示器，通过改变程序计数器的值来选取下一条指令。各线程之间的计数器互不影响，是线程私有的内存。
如果线程执行的是一个JAVA方法，则计数器记录的为正在执行的字节码指令的地址，如果执行的是Natvie方法，这计数器的值为空（Undifined)。
程序计算器所在的内存区域是唯一一个JVM规范中没有规定OOMError的内存区域

JVM栈

JVM栈也是每个线程所私有的内存区域，随着线程的创建而分配，线程的消亡而回收。JVM栈是描述Java方法执行的内存模型，每个java方法在执行的时候，都会创建一个栈帧（Stack Frame）,其作用是用来保存java方法中的局部变量、操作栈、方法出口等信息。每一个java方法从被调用到执行完毕的过程，都伴随着对应的栈帧在JVM栈中的进栈和入栈。
JVM规范中，该区域中有两个异常状况：
-StackOverflowError:线程请求的栈深度超过了JVM栈所允许的栈深度
-OutOfMemoryError:如果JVM栈是动态可扩展的，在无法申请到足够内存时，抛出该异常

本地方法栈

本地方栈（Native Method Stack）是描述虚拟机所用到的本地方法的内存模型，与JVM栈类似，也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError

Java堆

Java堆是java虚拟机所管理的最大的内存区域，我们所说的垃圾回收，就是对该区域的内存进行回收，所以也叫GC堆。java堆是所有线程所公用的内存区域，程序中的对象、数组都存放在该区域中。
从内存回收的角度来看，由于现在的收集器所采用的都是分代收集算法，所以java堆可以在进一步细分为：新生代和老年代，在新生代中，又可以划分为Eden、From survivor、To survivor等空间。从内存分配的角度来看，java堆可能划分为多个线程私有的分配缓存区。
java堆可以是物理上不连续但逻辑上要连续的内存空间，可以通过指定-Xmx(最大)、-Xms(最小)、-Xmn(新生代)等VM参数来设置java堆得大小。若有新对象申请内存空间但是java堆没有足够的内存分配时，会报OOMError。

方法区

方法区（Method Area）也是各线程共享的内存区域，用于存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态常量、编译后的代码等数据看，其还有一个别名叫Non-Heap(非堆)，与java堆加以区分。在HotSpot虚拟机上，也可叫做“永久代”（Permanent Generation）,本质上不等价（HotSpot将GC收集扩展到了该区域）。
若要对该区域进行GC，主要是回收常量池以及对类型的卸载。该区域在内存满后也会抛出OOMError异常。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区内的一部分，Class文件中除了类的版本、字段、方法、接口等描述信息，还常量池表，用于存放编译期间生成的葛总常量和符号引，这部分内容在类加载后存放运行时常量池这种（class如何加载会在后面章节提及）。运行时常量池具备动态性，java语言不单单在编译期间会产生常量，在运行期间也可能将新的常量放入运行时常量池中，如开发人员用了String.intern()方法，之后的异常测试就是用该方法引起常量池抛出OOMError。

直接内存

直接内存（Direct Memory）不是虚拟机运行时数据区域的一部分，也不是JVM规范中定义的内存区域，但其也频繁被使用。自JDK1.4后，引入了基于通道（Channel)与缓冲区的I/O方式，它可以使用native函数库直接分配堆外内存，并通过java堆中的DirectByteBuffer对象操作该块内存。避免了java堆和native堆之间的数据复制，提高了性能。
本机直接内存不受java堆大小限制，但是受本机总内存大小和处理器的寻址空间限制。在动态扩展时也会抛出OOMError异常。

对象访问

OutOfMemoryError异常

之前对虚拟机运行时数据区域进行了描述，现在通过实例来验证OOM异常发生的情况，可以进一步了解jvm各内存区域的存储内容，及发生异常的情况。
测试的java版本为:

java version “1.7.0_80”
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.7.0_80-b15)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 24.80-b11, mixed mode)

Java堆溢出示例

之前已经提到，对象实例都存储在java堆中，所以可以不断的创建对象且保证对象不被GC就可以让java堆溢出
编写如下代码清单：

/** 
* @ClassName: HeapOOM 
* @Description: Java堆内存溢出异常测试
* @author 祝佳俊(jjzhu_ncu@163.com)
* @date 2016年10月18日 下午8:30:13 
* VM Args: -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());
        }
    }
}

并配置运行时的VM参数：

这里-XX:UseParNewGC是指定用ParNew收集器，默认的是
参数解释： -Xms:20M:java堆最小20M
-Xmx:20M:java堆最大20M（避免动态扩展）
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError:开启该选项，可以让虚拟机在抛出OutOfMemoryError时Dump出当前内存堆转存快照
运行后，就会有如下输出：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid3576.hprof ...
Heap dump file created [34233497 bytes in 0.301 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2760)
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2734)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacity(ArrayList.java:167)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:351)
    at study.hard.jjzhu.HeapOOM.main(HeapOOM.java:20)

JVM栈和本地方法栈溢出

之前有提过，HotSpot虚拟机并没有区分JVM和本地方法栈。在HotSpot虚拟机中可以通过制定-Xss参数来指定栈的大小。
编写如下测试代码：

/** 
 * @ClassName: JavaVMStackSOF 
 * @Description: 虚拟机栈和本地方法栈OOM测试 
 * @author 祝佳俊(jjzhu_ncu@163.com)
 * @date 2016年10月18日 下午9:09:21 
 *  VM Args: -Xss128k
 */
public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak(){
        stackLength ++;
        //递归调用
        stackLeak();

    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try{
            oom.stackLeak();
        }catch(Throwable e){
            System.out.println("stack deep:" + oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

运行后就会报StackOverflowError异常：

stack deep:1007
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at study.hard.jjzhu.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
    at study.hard.jjzhu.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:15)
    at study.hard.jjzhu.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:15)
    at study.hard.jjzhu.memory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:15)

运行时常量池溢出

String.intern()方法可以向运行时常量池中添加内，所以要达到运行时常量池溢出，执行用本地方法intern()像池中不断添加字符串即可，可以同过-XX:PermSize -XX:MaxPermSize限制方法区大小。

/** 
 * @ClassName: RuntimeConstantPoolOOM 
 * @Description: 方法区和运行时常量池溢出
 * @author 祝佳俊(jjzhu_ncu@163.com)
 * @date 2016年10月18日 下午9:18:07 
 * VM Args: -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){
            /* 
             * String.intern()是一个Native方法，作用是:如果字符串常量池中已经包含一个等价于此String
             * 对象的字符串，则返回常量池中这个字符串的String对象，否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，
             * 并返回此String对象的引用
            */
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}
>运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.String.intern(Native Method)
    at study.hard.jjzhu.memory.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:23)

本机直接内存溢出

本机直接内存可以通过 -XX:MaxDirectMemorySize指定内存大小，若不指定，则默认与java堆得最大值一样。

/** 
* @ClassName: DirectMemoryOOM 
* @Description:  本机直接内存溢出
* @author 祝佳俊(jjzhu_ncu@163.com)
* @date 2016年10月18日 下午9:41:40 
* VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=20M
*/
public class DirectMemoryOOM {
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    public static void main(String[] args) throws IllegalArgumentException, IllegalAccessException {
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeField.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe)unsafeField.get(null);
        while(true){
            unsafe.allocateMemory(_1MB);
        }
    }
}
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at study.hard.jjzhu.memory.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:21)