《深刻理解Java虚拟机》-----第2章 Java内存区域与内存溢出异常

时间 2019-12-18

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2.1 概述

对于从事C、C++程序开发的开发人员来讲，在内存管理领域，他们便是拥有最高权力的皇帝又是执行最基础工做的劳动人民——拥有每个对象的“全部权”，又担负着每个对象生命开始到终结的维护责任。java

对于Java程序员来讲，不须要在为每个new操做去写配对的delete/free，不容易出现内容泄漏和内存溢出错误，看起来由JVM管理内存一切都很美好。不过，也正是由于Java程序员把内存控制的权力交给了JVM，一旦出现泄漏和溢出，若是不了解JVM是怎样使用内存的，那排查错误将会是一件很是困难的事情。程序员

2.2 运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程当中会把它所管理的内存划分为若干个不一样的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及建立和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而创建和销毁。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括如下几个运行时数据区域
算法

2.2.1 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它能够看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各类虚拟机可能会经过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工做时就是经过改变这个计数器的值来选取下一条须要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都须要依赖这个计数器来完成。编程

因为Java虚拟机的多线程是经过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个肯定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来讲是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。所以，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都须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，咱们称这类内存区域为“线程私有”的内存。数组

若是线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；若是正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是惟一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError状况的区域。安全

2.2.2 Java虚拟机栈

与程序计数器同样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它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：每一个方法在执行的同时都会建立一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操做数栈、动态连接、方法出口等信息。每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。服务器

常常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗糙，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“堆”笔者在后面会专门讲述，而所指的“栈”就是如今讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。数据结构

局部变量表存放了编译期可知的各类基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象自己，多是一个指向对象起始地址的引用指针，也多是指向一个表明对象的句柄或其余与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。多线程

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其他的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法须要在帧中分配多大的局部变量空间是彻底肯定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。并发

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：若是线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的深度，将抛出StackOverflowError异常；若是虚拟机栈能够动态扩展（当前大部分的Java虚拟机均可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也容许固定长度的虚拟机栈），若是扩展时没法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.3 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的做用是很是类似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并无强制规定，所以具体的虚拟机能够自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈同样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

2.2.4 Java堆

对于大多数应用来讲，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被全部线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时建立。此内存区域的惟一目的就是存放对象实例，几乎全部的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：全部的对象实例以及数组都要在堆上分配，可是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会致使一些微妙的变化发生，全部的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，所以不少时候也被称作“GC堆”（Garbage Collected Heap，幸亏国内没翻译成“垃圾堆”）。从内存回收的角度来看，因为如今收集器基本都采用分代收集算法，因此Java堆中还能够细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。不过不管如何划分，都与存放内容无关，不管哪一个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。在本章中，咱们仅仅针对内存区域的做用进行讨论，Java堆中的上述各个区域的分配、回收等细节将是第3章的主题。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆能够处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的便可，就像咱们的磁盘空间同样。在实现时，既能够实现成固定大小的，也能够是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（经过-Xmx和-Xms控制）。若是在堆中没有内存完成实例分配，而且堆也没法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.5 方法区

方法区（Method Area）与Java堆同样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、方法、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，可是它却有一个别名叫作Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来讲，不少人都更愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上二者并不等价，仅仅是由于HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆同样管理这部份内存，可以省去专门为方法区编写内存管理代码的工做。对于其余虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来讲是不存在永久代的概念的。原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永久代来实现方法区，如今看来并非一个好主意，由于这样更容易遇到内存溢出问题（永久代有-XX：MaxPermSize的上限，J9和JRockit只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系统中的4GB，就不会出现问题），并且有极少数方法（例如String.intern()）会因这个缘由致使不一样虚拟机下有不一样的表现。所以，对于HotSpot虚拟机，根据官方发布的路线图信息，如今也有放弃永久代并逐步改成采用Native Memory来实现方法区的规划了，在目前已经发布的JDK 1.7的HotSpot中，已经把本来放在永久代的字符串常量池移出。

Java虚拟机规范对方法区的限制很是宽松，除了和Java堆同样不须要连续的内存和能够选择固定大小或者可扩展外，还能够选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并不是数据进入了方法区就如永久代的名字同样“永久”存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，通常来讲，这个区域的回收“成绩”比较难以使人满意，尤为是类型的卸载，条件至关苛刻，可是这部分区域的回收确实是必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是因为低版本的HotSpot虚拟机对此区域未彻底回收而致使内存泄漏。根据Java虚拟机规范的规定，当方法区没法知足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.6 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（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各类字面量和符号引用，这部份内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

Java虚拟机对Class文件每一部分（天然也包括常量池）的格式都有严格规定，每个字节用于存储哪一种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机承认、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有作任何细节的要求，不一样的提供商实现的虚拟机能够按照本身的须要来实现这个内存区域。不过，通常来讲，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另一个重要特征是具有动态性，Java语言并不要求常量必定只有编译期才能产生，也就是并不是预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的即是String类的intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，天然受到方法区内存的限制，当常量池没法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.7 直接内存

直接内存（Direct Memory）并非虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。可是这部份内存也被频繁地使用，并且也可能致使OutOfMemoryError异常出现，因此咱们放到这里一块儿讲解。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可使用Native函数库直接分配堆外内存，而后经过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象做为这块内存的引用进行操做。这样能在一些场景中显著提升性能，由于避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，可是，既然是内存，确定仍是会受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但常常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操做系统级的限制），从而致使动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

2.3 HotSpot虚拟机对象探秘

介绍完Java虚拟机的运行时数据区以后，咱们大体知道了虚拟机内存的概况，读者了解了内存中放了些什么后，也许就会想更进一步了解这些虚拟机内存中的数据的其余细节，譬如它们是如何建立、如何布局以及如何访问的。对于这样涉及细节的问题，必须把讨论范围限定在具体的虚拟机和集中在某一个内存区域上才有意义。基于实用优先的原则，笔者以经常使用的虚拟机HotSpot和经常使用的内存区域Java堆为例，深刻探讨HotSpot虚拟机在Java堆中对象分配、布局和访问的全过程。

2.3.1 对象的建立

Java是一门面向对象的编程语言，在Java程序运行过程当中无时无刻都有对象被建立出来。在语言层面上，建立对象（例如克隆、反序列化）一般仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象（文中讨论的对象限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等）的建立又是怎样一个过程呢？

虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，而且检查这个符号引用表明的类是否已被加载、解析和初始化过。若是没有，那必须先执行相应的类加载过程，本书第7章将探讨这部份内容的细节。

在类加载检查经过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后即可彻底肯定（如何肯定将在2.3.2节中介绍），为对象分配空间的任务等同于把一块肯定大小的内存从Java堆中划分出来。假设Java堆中内存是绝对规整的，全部用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另外一边，中间放着一个指针做为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”（Bump the Pointer）。若是Java堆中的内存并非规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”（Free List）。选择哪一种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。所以，在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，一般采用空闲列表。

除如何划分可用空间以外，还有另一个须要考虑的问题是对象建立在虚拟机中是很是频繁的行为，即便是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发状况下也并非线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的状况。解决这个问题有两种方案，一种是对分配内存空间的动做进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操做的原子性；另外一种是把内存分配的动做按照线程划分在不一样的空间之中进行，即每一个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。哪一个线程要分配内存，就在哪一个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才须要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，能够经过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。

内存分配完成后，虚拟机须要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），若是使用TLAB，这一工做过程也能够提早至TLAB分配时进行。这一步操做保证了对象的实例字段在Java代码中能够不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪一个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前的运行状态的不一样，如是否启用偏向锁等，对象头会有不一样的设置方式。关于对象头的具体内容，稍后再作详细介绍。

在上面工做都完成以后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的视角来看，对象建立才刚刚开始——＜init＞方法尚未执行，全部的字段都还为零。因此，通常来讲（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），执行new指令以后会接着执行＜init＞方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算彻底产生出来。

下面的代码清单是HotSpot虚拟机bytecodeInterpreter.cpp中的代码片断（这个解释器实现不多有机会实际使用，由于大部分平台上都使用模板解释器；当代码经过JIT编译器执行时差别就更大了。不过，这段代码用于了解HotSpot的运做过程是没有什么问题的）。

//确保常量池中存放的是已解释的类
if(!constants->tag_at(index).is_unresolved_klass()){
//断言确保是klassOop和instanceKlassOop（这部分下一节介绍）
oop entry=（klassOop）*constants-＞obj_at_addr（index）;
assert（entry-＞is_klass（），"Should be resolved klass"）;
klassOop k_entry=（klassOop）entry;
assert（k_entry-＞klass_part（）-＞oop_is_instance（），"Should be instanceKlass"）;
instanceKlass * ik=（instanceKlass*）k_entry-＞klass_part（）;
//确保对象所属类型已经通过初始化阶段
if(ik->is_initialized()&&ik->can_be_fastpath_allocated())
{
//取对象长度
size_t obj_size=ik->size_helper();
oop result=NULL；
//记录是否须要将对象全部字段置零值
bool need_zero=!ZeroTLAB；
//是否在TLAB中分配对象
if(UseTLAB){
result=（oop）THREAD->tlab().allocate(obj_size);
}
if（result==NULL）{
need_zero=true；
//直接在eden中分配对象
retry：
HeapWord * compare_to=*Universe：heap（）-＞top_addr（）；
HeapWord * new_top=compare_to+obj_size；
/*cmpxchg是x86中的CAS指令，这里是一个C++方法，经过CAS方式分配空间，若是并发失败，
转到retry中重试，直至成功分配为止*/
if（new_top＜=*Universe：heap（）-＞end_addr（））{
if（Atomic：cmpxchg_ptr（new_top,Universe：heap（）-＞top_addr（），compare_to）！=compare_to）{
goto retry；
}
result=（oop）compare_to；
}
}
if（result！=NULL）{
//若是须要，则为对象初始化零值
if（need_zero）{
HeapWord * to_zero=（HeapWord*）result+sizeof（oopDesc）/oopSize；
obj_size-=sizeof（oopDesc）/oopSize；
if（obj_size＞0）{
memset（to_zero，0，obj_size * HeapWordSize）；
}
}
//根据是否启用偏向锁来设置对象头信息
if（UseBiasedLocking）{
result-＞set_mark（ik-＞prototype_header（））；
}else{
result-＞set_mark（markOopDesc：prototype（））；
}r
esult-＞set_klass_gap（0）；
result-＞set_klass（k_entry）；
//将对象引用入栈，继续执行下一条指令
SET_STACK_OBJECT（result，0）；
UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE（3，1）；
}
}
}

2.3.2 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局能够分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”。对象须要存储的运行时数据不少，其实已经超出了32位、64位Bitmap结构所能记录的限度，可是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽可能多的信息，它会根据对象的状态复用本身的存储空间。例如，在32位的HotSpot虚拟机中，若是对象处于未被锁定的状态下，那么Mark Word的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0，而在其余状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容见表

对象头的另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机经过这个指针来肯定这个对象是哪一个类的实例。并非全部的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不必定要通过对象自己，这点将在2.3.3节讨论。

另外，若是对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，由于虚拟机能够经过普通Java对象的元数据信息肯定Java对象的大小，可是从数组的元数据中却没法肯定数组的大小。
代码清单为HotSpot虚拟机markOop.cpp中的代码（注释）片断，它描述了32bit下MarkWord的存储状态。

//Bit-format of an object header(most significant first,big endian layout below):
//32 bits:
//--------
//hash：25------------>|age：4 biased_lock：1 lock：2（normal object）
//JavaThread*：23 epoch：2 age：4 biased_lock：1 lock：2（biased object）
//size：32------------------------------------------>|（CMS free block）
//PromotedObject*：29---------->|promo_bits：3----->|（CMS promoted object）

接下来的实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各类类型的字段内容。不管是从父类继承下来的，仍是在子类中定义的，都须要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中能够看出，相同宽度的字段老是被分配到一块儿。在知足这个前提条件的状况下，在父类中定义的变量会出如今子类以前。若是CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

第三部分对齐填充并非必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的做用。因为HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），所以，当对象实例数据部分没有对齐时，就须要经过对齐填充来补全。

2.3.3 对象的访问定位

创建对象是为了使用对象，咱们的Java程序须要经过栈上的reference数据来操做堆上的具体对象。因为reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并无定义这个引用应该经过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，因此对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

若是使用句柄访问的话，那么Java堆中将会划分出一块内存来做为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息，如图。

若是使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址，如图所示。

这两种对象访问方式各有优点，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是很是广泛的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference自己不须要修改。

使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，因为对象的访问在Java中很是频繁，所以这类开销聚沙成塔后也是一项很是可观的执行成本。就本书讨论的主要虚拟机Sun HotSpot而言，它是使用第二种方式进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看，各类语言和框架使用句柄来访问的状况也十分常见。

2.4 实战：OutOfMemoryError异常

在Java虚拟机规范的描述中，除了程序计数器外，虚拟机内存的其余几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError（下文称OOM）异常的可能，本节将经过若干实例来验证异常发生的场景（代码清单2-3～代码清单2-9的几段简单代码），而且会初步介绍几个与内存相关的
最基本的虚拟机参数。

本节内容的目的有两个：第一，经过代码验证Java虚拟机规范中描述的各个运行时区域存储的内容；第二，但愿读者在工做中遇到实际的内存溢出异常时，能根据异常的信息快速判断是哪一个区域的内存溢出，知道什么样的代码可能会致使这些区域内存溢出，以及出现这些异常后该如何处理。

下文代码的开头都注释了执行时所须要设置的虚拟机启动参数（注释中“VM Args”后面跟着的参数），这些参数对实验的结果有直接影响，读者调试代码的时候千万不要忽略。若是读者使用控制台命令来执行程序，那直接跟在Java命令以后书写就能够。若是读者使用Eclipse IDE，则能够参考图在Debug/Run页签中的设置。

下文的代码都是基于Sun公司的HotSpot虚拟机运行的，对于不一样公司的不一样版本的虚拟机，参数和程序运行的结果可能会有所差异。

2.4.1 Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例，只要不断地建立对象，而且保证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容量限制后就会产生内存溢出异常。

代码清单2-3中代码限制Java堆的大小为20MB，不可扩展（将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为同样便可避免堆自动扩展），经过参数-XX：+HeapDumpOnOutOfMemoryError可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过后进行分析。

代码清单2-3　Java堆内存溢出异常测试

/**
 * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * @author zzm
 */
public class HeapOOM {

    static class OOMObject {
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();

        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

运行结果：

java.lang.OutOfMemoryError :Java heap space
Dumping heap to java_pid3404.hprof.
Heap dump file created[22045981 bytes in 0.663 secs]

Java堆内存的OOM异常是实际应用中常见的内存溢出异常状况。当出现Java堆内存溢出时，异常堆栈信息“java.lang.OutOfMemoryError”会跟着进一步提示“Java heap space”。

要解决这个区域的异常，通常的手段是先经过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对Dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是不是必要的，也就是要先分清楚究竟是出现了内存泄漏（Memory Leak）仍是内存溢出（Memory Overflow）。下图显示了使用Eclipse Memory Analyzer打开的堆转储快照文件。

若是是内存泄露，可进一步经过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链。因而就能找到泄露对象是经过怎样的路径与GC Roots相关联并致使垃圾收集器没法自动回收它们的。掌握了泄露对象的类型信息及GC Roots引用链的信息，就能够比较准确地定位出泄露代码的位置。

若是不存在泄露，换句话说，就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xmx与-Xms），与机器物理内存对比看是否还能够调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的状况，尝试减小程序运行期的内存消耗。

以上是处理Java堆内存问题的简单思路，处理这些问题所须要的知识、工具与经验是后面3章的主题。

2.4.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

因为在HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，所以，对于HotSpot来讲，虽然-Xoss参数（设置本地方法栈大小）存在，但其实是无效的，栈容量只由-Xss参数设定。

关于虚拟机栈和本地方法栈，在Java虚拟机规范中描述了两种异常：

若是线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常。
若是虚拟机在扩展栈时没法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

这里把异常分红两种状况，看似更加严谨，但却存在着一些互相重叠的地方：当栈空间没法继续分配时，究竟是内存过小，仍是已使用的栈空间太大，其本质上只是对同一件事情的两种描述而已。

在笔者的实验中，将实验范围限制于单线程中的操做，尝试了下面两种方法均没法让虚拟机产生OutOfMemoryError异常，尝试的结果都是得到StackOverflowError异常，测试代码如代码清单2-4所示。

使用-Xss参数减小栈内存容量。结果：抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的堆栈深度相应缩小。
定义了大量的本地变量，增大此方法帧中本地变量表的长度。结果：抛出StackOverflowError异常时输出的堆栈深度相应缩小。

代码清单2-4　虚拟机栈和本地方法栈OOM测试（仅做为第1点测试程序）

/**
 * VM Args：-Xss128k
 * @author zzm
 */
public class JavaVMStackSOF {

    private int stackLength = 1;

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

运行结果：

stack length :2402
Exception in thread"main"java.lang.StackOverflowError
at org.fenixsoft.oom.VMStackSOF.leak (WIStackSOF.java :20 ) at org.fenixsoft.oom.VMStackSOF.leak (WIStackSOF.java :21 ) at org.fenixsoft.oom.VMStackSOF.leak (WIStackSOF.iava :21 ) 
.....后续异常堆栈信息省略

实验结果代表：在单个线程下，不管是因为栈帧太大仍是虚拟机栈容量过小，当内存没法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。

若是测试时不限于单线程，经过不断地创建线程的方式却是能够产生内存溢出异常，如代码清单2-5所示。可是这样产生的内存溢出异常与栈空间是否足够大并不存在任何联系，或者准确地说，在这种状况下，为每一个线程的栈分配的内存越大，反而越容易产生内存溢出异常。

其实缘由不难理解，操做系统分配给每一个进程的内存是有限制的，譬如32位的Windows限制为2GB。虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区的这两部份内存的最大值。剩余的内存为2GB（操做系统限制）减去Xmx（最大堆容量），再减去MaxPermSize（最大方法区容量），程序计数器消耗内存很小，能够忽略掉。若是虚拟机进程自己耗费的内存不计算在内，剩下的内存就由虚拟机栈和本地方法栈“瓜分”了。每一个线程分配到的栈容量越大，能够
创建的线程数量天然就越少，创建线程时就越容易把剩下的内存耗尽。

这一点读者须要在开发多线程的应用时特别注意，出现StackOverflowError异常时有错误堆栈能够阅读，相对来讲，比较容易找到问题的所在。并且，若是使用虚拟机默认参数，栈深度在大多数状况下（由于每一个方法压入栈的帧大小并非同样的，因此只能说在大多数状况下）达到1000～2000彻底没有问题，对于正常的方法调用（包括递归），这个深度应该彻底够用了。可是，若是是创建过多线程致使的内存溢出，在不能减小线程数或者更换64位虚拟机的状况下，就只能经过减小最大堆和减小栈容量来换取更多的线程。若是没有这方面的处理经验，这种经过“减小内存”的手段来解决内存溢出的方式会比较难以想到。
代码清单2-5　建立线程致使内存溢出异常

/**
 * VM Args：-Xss2M （这时候不妨设大些）
 * @author zzm
 */
public class JavaVMStackOOM {

       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) throws Throwable {
              JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
              oom.stackLeakByThread();
       }
}

注意，特别提示一下，若是读者要尝试运行上面这段代码，记得要先保存当前的工做。因为在Windows平台的虚拟机中，Java的线程是映射到操做系统的内核线程上的，所以上述代码执行时有较大的风险，可能会致使操做系统假死。
运行结果：

Exception in thread"main"java.lang.OutOfMemoryError :unable to create new native thread

2.4.3 方法区和运行时常量池溢出

因为运行时常量池是方法区的一部分，所以这两个区域的溢出测试就放在一块儿进行。前面提到JDK 1.7开始逐步“去永久代”的事情，在此就以测试代码观察一下这件事对程序的实际影响。

String.intern（）是一个Native方法，它的做用是：若是字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回表明池中这个字符串的String对象；不然，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，而且返回此String对象的引用。在JDK 1.6及以前的版本中，因为常量池分配在永久代内，咱们能够经过-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量，如代码清单2-6所示。

代码清单2-6　运行时常量池致使的内存溢出异常

/**
 * VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author zzm
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {

    public static void main(String[] args) {
        // 使用List保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        // 10MB的PermSize在integer范围内足够产生OOM了
        int i = 0; 
        while (true) {
            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 org.fenixsoft.oom.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:18)

从运行结果中能够看到，运行时常量池溢出，在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是“PermGen space”，说明运行时常量池属于方法区（HotSpot虚拟机中的永久代）的一部分。

而使用JDK 1.7运行这段程序就不会获得相同的结果，while循环将一直进行下去。关于这个字符串常量池的实现问题，还能够引伸出一个更有意思的影响，如代码清单2-7所示。

代码清单2-7　String.intern（）返回引用的测试

public class RuntimeConstantPoolOOM {

    public static void main(String[] args) {
        public static void main(String[] args) {
        String str1 = new StringBuilder("中国").append("钓鱼岛").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);

        String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }   }
}

这段代码在JDK 1.6中运行，会获得两个false，而在JDK 1.7中运行，会获得一个true和一个false。产生差别的缘由是：在JDK 1.6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建立的字符串实例在Java堆上，因此必然不是同一个引用，将返回false。而JDK 1.7（以及部分其余虚拟机，例如JRockit）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，所以intern（）返回的引用和由StringBuilder建立的那个字符串实例是同一个。对str2比较返回false是由于“java”这个字符串在执行StringBuilder.toString（）以前已经出现过，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，所以返回true。

方法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这些区域的测试，基本的思路是运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。虽然直接使用Java SE API也能够动态产生类（如反射时的GeneratedConstructorAccessor和动态代理等），但在本次实验中操做起来比较麻烦。在代码清单2-8中，笔者借助CGLib直接操做字节码运行时生成了大量的动态类。

值得特别注意的是，咱们在这个例子中模拟的场景并不是纯粹是一个实验，这样的应用常常会出如今实际应用中：当前的不少主流框架，如Spring、Hibernate，在对类进行加强时，都会使用到CGLib这类字节码技术，加强的类越多，就须要越大的方法区来保证动态生成的Class能够加载入内存。另外，JVM上的动态语言（例如Groovy等）一般都会持续建立类来实现语言的动态性，随着这类语言的流行，也愈来愈容易遇到与代码清单2-8类似的溢出场景。

代码清单2-8　借助CGLib使方法区出现内存溢出异常

/**
 * VM Args： -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author zzm
 */
public class JavaMethodAreaOOM {

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
                    return proxy.invokeSuper(obj, args);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }

    static class OOMObject {

    }
}

运行结果：

Caused by :java.lang.OutOfMemoryError :PermGen space
at java.lang.ClassLoader.defineClassl (Native Method)
at java.lang.ClassLoader.defineClassCond (ClassLoader. java :632 ) at java.lang.ClassLoader.defineClass (ClassLoader.java :616 )
— 8 more

方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常，一个类要被垃圾收集器回收掉，断定条件是比较苛刻的。在常常动态生成大量Class的应用中，须要特别注意类的回收情况。这类场景除了上面提到的程序使用了CGLib字节码加强和动态语言以外，常见的还有：大量JSP或动态产生JSP文件的应用（JSP第一次运行时须要编译为Java类）、基于OSGi的应用（即便是同一个类文件，被不一样的加载器加载也会视为不一样的类）等。

2.4.4 本机直接内存溢出

DirectMemory容量可经过-XX：MaxDirectMemorySize指定，若是不指定，则默认与Java堆最大值（-Xmx指定）同样，代码清单2-9越过了DirectByteBuffer类，直接经过反射获取Unsafe实例进行内存分配（Unsafe类的getUnsafe（）方法限制了只有引导类加载器才会返回实例，也就是设计者但愿只有rt.jar中的类才能使用Unsafe的功能）。由于，虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常，但它抛出异常时并无真正向操做系统申请分配内存，而是经过计算得知内存没法分配，因而手动抛出异常，真正申请分配内存的方法是unsafe.allocateMemory（）。

代码清单2-9　使用unsafe分配本机内存

/**
 * VM Args：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 * @author zzm
 */
public class DirectMemoryOOM {

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeField.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
        while (true) {
            unsafe.allocateMemory(_1MB);
        }
    }
}

运行结果：

Exception in thread"main"java.lang.OutOfMemoryError at sun.misc.Unsafe .allocateMemory (Native Method ) at org. fenixsoft. oom.DMOOM.main (DMOOM.java :20 )

由DirectMemory致使的内存溢出，一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见明显的异常，若是读者发现OOM以后Dump文件很小，而程序中又直接或间接使用了NIO，那就能够考虑检查一下是否是这方面的缘由。

2.5 本章小结

经过本章的学习，咱们明白了虚拟机中的内存是如何划分的，哪部分区域、什么样的代码和操做可能致使内存溢出异常。虽然Java有垃圾收集机制，但内存溢出异常离咱们仍然并不遥远，本章只是讲解了各个区域出现内存溢出异常的缘由，第3章将详细讲解Java垃圾收集机制为了不内存溢出异常的出现都作了哪些努力。