【JVM系列1】深入分析Java虚拟机堆和栈及OutOfMemory异常产生原因

前言

JVM系列文章如无特殊说明，一些特性均是基于Hot Spot虚拟机和JDK1.8版本讲述。

下面这张图我想对于每个学习Java的人来说再熟悉不过了，这就是整个JDK的关系图：


在这里插入图片描述

从上图我们可以看到，Java Virtual Machine位于最底层，所有的Java应用都是基于JVM来运行的，所以学习JVM对任何一个想要深入了解Java的人是必不可少的。

Java的口号是：Write once,run anywhere（一次编写，到处运行）。之所以能实现这个口号的原因就是因为JVM的存在，JVM帮我们处理好了不同平台的兼容性问题，只要我们安装对应系统的JDK，就可以运行，而无需关心其他问题。

什么是JVM

JVM全称Java Virtual Machine，即Java虚拟机，是一种抽象计算机。与真正的计算机一样，它有一个指令集，并在运行时操作各种内存区域。虚拟机有很多种，不同的厂商提供了不同的实现，只要遵循虚拟机规范即可。目前我们常说的虚拟机一般都指的是Hot Spot。

JVM对Java编程语言一无所知，只知道一种特定的二进制格式，即类文件格式。类文件包含Java虚拟机指令(或字节码)和符号表，以及其他辅助信息。也就是说，我们写好的程序最终交给JVM执行的时候会被编译成为二进制格式。

注意：Java虚拟机只认二进制格式文件，所以，任何语言，只要编译之后的格式符合要求，都可以在Java虚拟机上运行，如Kotlin,Groovy等。

Java程序执行流程

从我们写好的.java文件到最终在JVM上运行时，大致是如下一个流程:


在这里插入图片描述

一个java类在经过编译和类加载机制之后，会将加载后得到的数据放到运行时数据区内，这样我们在运行程序的时候直接从JVM内存中读取对应信息就可以了。

运行时数据区

运行时数据区：Run-Time Data Areas。Java虚拟机定义了在程序执行期间使用的各种运行时数据区域。其中一些数据区域是在Java虚拟机启动时创建的，只在Java虚拟机退出时销毁，这些区域是所有线程共享的，所以会有线程不安全的问题发生。而有一些数据区域为每个线程独占的，每个线程独占数据区域在线程创建时创建，在线程退出时销毁，线程独占的数据区就不会有安全性问题。

Run-Time Data Areas主要包括如下部分：pc寄存器，堆，方法区，虚拟机栈，本地方法栈。

PC(program counter) Register(程序计数器)

PC Register是每个线程独占的空间。
Java虚拟机可以支持同时执行多个线程，而在任何一个确定的时刻，一个处理器只会执行一个线程中的一个指令，又因为线程具有随机性，操作系统会一直切换线程去执行不同的指令，所以为了切换线程之后能回到原先执行的位置，每个JVM线程都必须要有自己的pc(程序计数器)寄存器来独立存储执行信息，这样才能继续之前的位置往后运行。

在任何时候，每个Java虚拟机线程都在执行单个方法的代码，即该线程的当前方法。如果该方法不是Native方法，则pc寄存器会记录当前正在执行的Java虚拟机指令的地址。如果线程当前执行的方法是本地的，那么Java虚拟机的pc寄存器的值是Undefined。

Heap(堆)

堆是Java虚拟机所管理内存中最大的一块，在虚拟机启动时创建，被所有线程共享。
堆在虚拟机启动时创建，用于存储所有的对象实例和数组(在某些特殊情况下不是)。

堆中的对象永远不会显式地释放，必须由GC自动回收。所以GC也主要是回收堆中的对象实例，我们平常讨论垃圾回收主要也是回收堆内存。

堆可以处于物理上不连续的内存空间，可以固定大小，也可以动态扩展，通过参数-Xms和Xmx两个参数来控制堆内存的最小和最大值。

堆可能存在如下异常情况：

  • 如果计算需要的堆比自动存储管理系统提供的堆多，将抛出OutOfMemoryError错误。

模拟堆内OutOfMemoryError

为了方便模拟，我们把堆固定一下大小，设置为：

-Xms20m -Xmx20m

然后新建一个测试类来测试一下：

package com.zwx.jvm.oom;

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

public class Heap {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        while (true){
            list.add(99999);
        }
    }
}

输出结果为（后面的Java heap space，表示堆空间溢出）：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)

注意：堆不能设置的太小，太小的话会启动失败，如上我们把参数大小都修改为2m，会出现下面的错误：

Error occurred during initialization of VM
GC triggered before VM initialization completed. Try increasing NewSize, current value 1536K.

Method Area(方法区)

方法区是各个线程共享的内存区域，在虚拟机启动时创建。它存储每个类的结构，比如：运行时常量池、属性和方法数据，以及方法和构造函数的代码，包括在类和实例初始化以及接口初始化中使用的特殊方法。

方法区在逻辑上是堆的一部分，但是它却又一个别名叫做Non-Heap(非堆)，目的是与Java堆区分开来。
方法区域可以是固定大小，也可以根据计算的需要进行扩展，如果不需要更大的方法区域，则可以收缩。方法区域的内存不需要是连续的。

方法区中可能出现如下异常：

  • 如果方法区域中的内存无法满足分配请求时，将抛出OutOfMemoryError错误。

Run-Time Constant Pool(运行时常量池)

运行时常量池是方法区中的一部分，用于存储编译生成的字面量和符号引用。类或接口的运行时常量池是在Java虚拟机创建类或接口时构建的。

字面量

在计算机科学中，字面量(literal)是用于表达源代码中一个固定值的表示法(notation)。几乎所有计算机编程语言都具有对基本值的字面量表示，诸如：整数、浮点数以及字符串等。在Java中常用的字面量就是基本数据类型或者被final修饰的常量或者字符串等。

String字符串去哪了

字符串这里值得拿出来单独解释一下，在jdk1.6以及之前的版本，Java中的字符串就是放在方法区中的运行时常量池内，但是在jdk1.7和jdk1.8版本(jdk1.8之后本人没有深入去了解过，所以不讨论)，将字符串常量池拿出来放到了堆(heap)里。
我们来通过一个例子来演示一下区别：

package com.zwx;

public class demo {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = new String("lonely") + new String("wolf");
        System.out.println(str1==str1.intern());
    }
}

这个语句的运行结果在不同的JDK版本中输出的结果会不一样：
JDK1.6中会输出false：


在这里插入图片描述

JDK1.7中输出true：


在这里插入图片描述

JDK1.8中也会输出true：


在这里插入图片描述
intern()方法
  • jdk1.6及之前的版本中：
    调用String.intern()方法，会先去常量池检查是否存在当前字符串，如果不存在，则会在方法区中创建一个字符串，而new String("")方法创建的字符串在堆里面，两个字符串的地址不相等，故而返回false。
  • 在jdk1.7及1.8版本中：
    字符串常量池从方法区中的运行时常量池移到了堆内存中，而intern()方法也随之做了改变。调用String.intern()方法，首先还是会去常量池中检查是否存在，如果不存在，那么就会创建一个常量，并将引用指向堆，也就是说不会再重新创建一个字符串对象了，两者都会指向堆中的对象，所以返回true。
    不过有一点还是需要注意，我们把上面的构造字符串的代码改造一下：
String str1 = new String("ja") + new String("va");
        System.out.println(str1==str1.intern());

这时候在jdk1.7和jdk1.8中也会返回false。
这个差异在《深入理解Java虚拟机》一书中给出的解释是java这个字符串已经存在常量池了，所以我个人的推测是可能初始化的时候jdk本身需要使用到java字符串，所以常量池中就提前已经创建好了，如果理解错了，还请大家指正，感谢！

new String(“lonely”)创建了几个对象

上面的例子中我用了两个new String(“lonely”)和new String(“wolf”)相加，而如果去掉其中一个new String()语句的话，那么实际上jdk1.7和jdk1.8中返回的也会是false，而不是true。
这是为什么？看下面(我们假设一开始字符串常量池没有任何字符串)：

  • 只执行一个new String(“lonely”)会产生2个对象，1个在堆，1个在字符串常量池
在这里插入图片描述

这时候执行了String.intern()方法，String.intern()会去检查字符串常量池，发现字符串常量池存在longly字符串，所以会直接返回，不管是jdk1.6还是jdk1.7和jdk1.8都是检查到字符串存在就会直接返回，所以str1==str1.intern()得到的结果就是都是false，因为一个在堆，一个在字符串常量池。

  • 执行new String(“lonely”)+new String(“wolf”)会产生5个对象，3个在堆，2个在字符串常量池


    在这里插入图片描述

好了，这时候执行String.intern()方法会怎么样呢，如果在jdk1.7和jdk1.8会去检查字符串常量池,发现没有lonelywolf字符串，所以会创建一个指向堆中的字符串放到字符串常量池：


在这里插入图片描述

而如果是jdk1.6中，不会指向堆，会重新创建一个lonelywolf字符串放到字符串常量池，所以才会产生不同的运行结果。

注意：+号的底层执行的是new StringBuild().append()语句，所以我们再看下面一个例子：

String s1 = new StringBuilder("aa").toString();
System.out.println(s1==s1.intern());
String s2 = new StringBuilder("aa").append("bb").toString();
System.out.println(s2==s2.intern());//1.6返回false,1.7和1.8返回true

这个在jdk1.6版本全部返回false，而在jdk1.7和jdk1.8中一个返回false,一个返回true。多了一个append相当于上面的多了一个+号，原理是一样的。

符号引用

符号引用在下篇讲述类加载机制的时候会进行解释，这里暂不做解释，感兴趣的可以关注我，留意我的JVM系列下一篇文章。

jdk1.7和1.8的实现方法区的差异

方法区是Java虚拟机规范中的规范，但是具体如何实现并没有规定，所以虚拟机厂商完全可以采用不同的方式实现方法区的。

在HotSpot虚拟机中：

  • jdk1.7及之前版本

方法区采用永久代(Permanent Generation)的方式来实现，方法区的大小我们可以通过参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来控制方法区的大小和所能允许最大值。

  • jdk1.8版本

移除了永久代，采用元空间(Metaspace)来实现方法区，所以在jdk1.8中关于永久代的参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize已经被废弃却代之的是参数-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize。元空间和永久代的一个很大的区别就是元空间已经不在jvm内存在，而是直接存储到了本地内存中。

如下，我们再jdk1.8中设置-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize会给出警告：

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize1m; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize1m; support was removed in 8.0

模拟方法区OutOfMemoryError

jdk1.7及之前版本

因为jdk1.7及之前都是永久代来实现方法区，所以我们可以通过设置永久代参数来模拟内存溢出：
设置永久代最大为2M:

-XX:PermSize=2m -XX:MaxPermSize=2m
在这里插入图片描述

然后执行如下代码：

package com.zwx;

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

public class demo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true){
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

最后报错OOM：PermGen space（永久代溢出）。

Error occurred during initialization of VM
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.getExtClassLoader(Launcher.java:141)
    at sun.misc.Launcher.<init>(Launcher.java:71)
    at sun.misc.Launcher.<clinit>(Launcher.java:57)

jdk1.8

jdk1.8版本，因为永久代被取消了，所以模拟方式会不一样。
首先引入asm字节码框架依赖（前面介绍动态代理的时候提到cglib动态代理也是利用了asm框架来生成字节码，所以也可以直接cglib的api来生成）：

<dependency>
            <groupId>asm</groupId>
            <artifactId>asm</artifactId>
            <version>3.3.1</version>
        </dependency>

创建一个工具类去生成class文件：

package com.zwx.jvm.oom;

import jdk.internal.org.objectweb.asm.ClassWriter;
import jdk.internal.org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;

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

public class MetaspaceUtil extends ClassLoader {

    public static List<Class<?>> createClasses() {
        List<Class<?>> classes = new ArrayList<Class<?>>();
        for (int i = 0; i < 10000000; ++i) {
            ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
            cw.visit(Opcodes.V1_1, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null,
                    "java/lang/Object", null);
            MethodVisitor mw = cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC, "<init>",
                    "()V", null, null);
            mw.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, 0);
            mw.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESPECIAL, "java/lang/Object",
                    "<init>", "()V");
            mw.visitInsn(Opcodes.RETURN);
            mw.visitMaxs(1, 1);
            mw.visitEnd();
            MetaspaceUtil test = new MetaspaceUtil();
            byte[] code = cw.toByteArray();
            Class<?> exampleClass = test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length);
            classes.add(exampleClass);
        }
        return classes;
    }
}

设置元空间大小

-XX:MetaspaceSize=5M -XX:MaxMetaspaceSize=5M
在这里插入图片描述

然后运行测试类模拟：

package com.zwx.jvm.oom;

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

public class MethodArea {
    public static void main(String[] args) {
        //jdk1.8
        List<Class<?>> list=new ArrayList<Class<?>>();
        while(true){
            list.addAll(MetaspaceUtil.createClasses());
        }
    }
}

抛出如下异常OOM:Metaspace：


在这里插入图片描述

Java Virtual Machine Stacks(Java虚拟机栈)

每个Java虚拟机线程都有一个与线程同时创建的私有Java虚拟机栈。
Java虚拟机栈存储栈帧(Frame)。每个被调用的方法就会产生一个栈帧，栈帧中保存了一个方法的状态信息，如：局部变量，操作栈帧，方出出口等。

调用一个方法，就会产生一个栈帧，并压入栈内；一个方法调用完成，就会把该栈帧从栈中弹出，大致调用过程如下图所示：


在这里插入图片描述

Java虚拟机栈中可能有下面两种异常情况：

  • 如果线程执行所需栈深度大于Java虚拟机栈深度，则会抛出StackOverflowError。
    上图可以知道，其实方法的调用就是入栈和出栈的过程，如果一直入栈而不出栈就容易发生异常(如递归)。
  • 如果Java虚拟机栈可以动态地扩展,但是扩展大小的时候无法申请到足够的内存，则会抛出一个OutOfMemoryError。
    大部分Java虚拟机栈都是支持动态扩展大小的，也允许设置固定大小(在Java虚拟机规范中两种都是可以的，具体要看虚拟机的实现)。

注：我们经常说的JVM中的栈，一般指的就是Java虚拟机栈。

模拟栈内StackOverflowError

下面是一个简单的递归方法，没有跳出递归条件：

package com.zwx.jvm.oom;

public class JMVStack {
    public static void main(String[] args) {
        test();
    }

    static void test(){
        test();
    }
}

输出结果为：

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at com.zwx.jvm.oom.JMVStack.test(JMVStack.java:15)
    at com.zwx.jvm.oom.JMVStack.test(JMVStack.java:15)
    .....

Native Method Stacks(本地方法栈)

本地方发栈类似于Java虚拟机栈，区别就是本地方法栈存储的是Native方法。本地方发栈和Java虚拟机栈在有的虚拟机中是合在一起的，并没有分开，如：Hot Spot虚拟机。

本地方法栈可能出现如下异常：

  • 如果线程执行所需栈深度大于本地方法栈深度，则会抛出StackOverflowError。
  • 如果可以动态扩展本地方法栈，但是扩展大小的时候无法申请到足够的内存，则会抛出OutOfMemoryError。

总结

本文主要介绍了jvm运行时数据区的构造，以及每部分区域到底都存了哪些数据，然后去模拟了一下常见异常的产生方式，当然，模拟异常的方式很多，关键要知道每个区域存了哪些东西，模拟的时候对应生成就可以。

本文主要从总体上介绍运行时数据区，主要是有一个概念上的认识，下一篇，将会介绍类加载机制，以及双亲委派模式，介绍类加载模式的同时会对运行时数据区做更详细的介绍。 请关注我，一起学习进步。

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