【JVM系列1】深刻分析Java虚拟机堆和栈及OutOfMemory异常产生缘由

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一个学习Java的人来讲再熟悉不过了，这就是整个JDK的关系图：

从上图咱们能够看到，Java Virtual Machine位于最底层，全部的Java应用都是基于JVM来运行的，因此学习JVM对任何一个想要深刻了解Java的人是必不可少的。

Java的口号是：Write once,run anywhere（一次编写，处处运行）。之因此能实现这个口号的缘由就是由于JVM的存在，JVM帮咱们处理好了不一样平台的兼容性问题，只要咱们安装对应系统的JDK，就能够运行，而无需关心其余问题。

什么是JVM

JVM全称Java Virtual Machine，即Java虚拟机，是一种抽象计算机。与真正的计算机同样，它有一个指令集，并在运行时操做各类内存区域。虚拟机有不少种，不一样的厂商提供了不一样的实现，只要遵循虚拟机规范便可。目前咱们常说的虚拟机通常都指的是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，以及其余辅助信息。也就是说，咱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，因此，任何语言，只要编译以后的格式符合要求，均可以在Java虚拟机上运行，如Kotlin,Groovy等。

Java程序执行流程

从咱们写好的.java文件到最终在JVM上运行时，大体是以下一个流程:

一个java类在通过编译和类加载机制以后，会将加载后获得的数据放到运行时数据区内，这样咱们在运行程序的时候直接从JVM内存中读取对应信息就能够了。

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类运行时数据区域。其中一些数据区域是在Java虚拟机启动时建立的，只在Java虚拟机退出时销毁，这些区域是全部线程共享的，因此会有线程不安全的问题发生。而有一些数据区域为每一个线程独占的，每一个线程独占数据区域在线程建立时建立，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主要包括以下部分：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是每一个线程独占的空间。
Java虚拟机能够支持同时执行多个线程，而在任何一个肯定的时刻，一个处理器只会执行一个线程中的一个指令，又由于线程具备随机性，操做系统会一直切换线程去执行不一样的指令，因此为了切换线程以后能回到原先执行的位置，每一个JVM线程都必需要有本身的pc(程序计数器)寄存器来独立存储执行信息，这样才能继续以前的位置日后运行。

在任什么时候候，每一个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。若是该方法不是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。若是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，在虚拟机启动时建立，被全部线程共享。
堆在虚拟机启动时建立，用于存储全部的对象实例和数组(在某些特殊状况下不是)。

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

堆能够处于物理上不连续的内存空间，能够固定大小，也能够动态扩展，经过参数-Xms和Xmx两个参数来控制堆内存的最小和最大值。

堆可能存在以下异常状况：

• 若是计算须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，咱们把堆固定一下大小，设置为：

-Xms20m -Xmx20m

而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：堆不能设置的过小，过小的话会启动失败，如上咱们把参数大小都修改成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，在虚拟机启动时建立。它存储每一个类的结构，好比：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，可是它却又一个别名叫作Non-Heap(非堆)，目的是与Java堆区分开来。
方法区域能够是固定大小，也能够根据计算的须要进行扩展，若是不须要更大的方法区域，则能够收缩。方法区域的内存不须要是连续的。

方法区中可能出现以下异常：

• 若是方法区域中的内存没法知足分配请求时，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虚拟机建立类或接口时构建的。

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)。几乎全部计算机编程语言都具备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中经常使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以及以前的版本，Java中的字符串就是放在方法区中的运行时常量池内，可是在jdk1.7和jdk1.8版本(jdk1.8以后本人没有深刻去了解过，因此不讨论)，将字符串常量池拿出来放到了堆(heap)里。
咱们来经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一样的JDK版本中输出的结果会不同：
JDK1.6中会输出false：

JDK1.7中输出true：

JDK1.8中也会输出true：

intern()方法

• jdk1.6及以前的版本中：
  调用String.intern()方法，会先去常量池检查是否存在当前字符串，若是不存在，则会在方法区中建立一个字符串，而new String("")方法建立的字符串在堆里面，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()方法也随之作了改变。调用String.intern()方法，首先仍是会去常量池中检查是否存在，若是不存在，那么就会建立一个常量，并将引用指向堆，也就是说不会再从新建立一个字符串对象了，二者都会指向堆中的对象，因此返回true。
  不过有一点仍是须要注意，咱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()); 12

这时候在jdk1.7和jdk1.8中也会返回false。
这个差别在《深刻理解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，因此我我的的推测是可能初始化的时候jdk自己须要使用到java字符串，因此常量池中就提早已经建立好了，若是理解错了，还请你们指正，感谢！

new String(“lonely”)建立了几个对象

上面的例子中我用了两个new String(“lonely”)和new String(“wolf”)相加，而若是去掉其中一个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。
这是为何？看下面(

咱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

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，因此会直接返回，不论是jdk1.6仍是jdk1.7和jdk1.8都是检查到字符串存在就会直接返回，因此str1==str1.intern()获得的结果就是都是false，由于一个在堆，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

好了，这时候执行String.intern()方法会怎么样呢，若是在jdk1.7和jdk1.8会去检查字符串常量池,发现没有lonelywolf字符串，因此会建立一个指向堆中的字符串放到字符串常量池：

而若是是jdk1.6中，不会指向堆，会从新建立一个lonelywolf字符串放到字符串常量池，因此才会产生不一样的运行结果。

注意：+号的底层执行的是new StringBuild().append()语句，因此咱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版本所有返回false，而在jdk1.7和jdk1.8中一个返回false,一个返回true。多了一个append至关于上面的多了一个+号，原理是同样的。

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，这里暂不作解释，

感兴趣的能够关注我，留意个人JVM系列下一篇文章

。

jdk1.7和1.8的实现方法区的差别

方法区是Java虚拟机规范中的规范，可是具体如何实现并无规定，因此虚拟机厂商彻底能够采用不一样的方式实现方法区的。

在HotSpot虚拟机中：

• jdk1.7及以前版本

方法区采用永久代(Permanent Generation)的方式来实现，方法区的大小咱们能够经过参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来控制方法区的大小和所能容许最大值。

• jdk1.8版本

移除了永久代，采用元空间(Metaspace)来实现方法区，因此在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。

以下，咱们再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及以前版本

由于jdk1.7及以前都是永久代来实现方法区，因此咱们能够经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

而后执行以下代码：

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，由于永久代被取消了，因此模拟方式会不同。
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，因此也能够直接cglib的api来生成）：

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

建立一个工具类去生成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 
1

而后运行测试类模拟：

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());
        }
    }
}

抛出以下异常OOM:Metaspace：

Java Virtual Machine Stacks(Java虚拟机栈)

每一个Java虚拟机线程都有一个与线程同时建立的私有Java虚拟机栈。
Java虚拟机栈存储栈帧(Frame)。每一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，操做栈帧，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，大体调用过程以下图所示：

Java虚拟机栈中可能有下面两种异常状况：

• 若是线程执行所需栈深度大于Java虚拟机栈深度，则会抛出StackOverflowError。
  上图能够知道，其实方法的调用就是入栈和出栈的过程，若是一直入栈而不出栈就容易发生异常(如递归)。
• 若是Java虚拟机栈能够动态地扩展,可是扩展大小的时候没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，也容许设置固定大小(在Java虚拟机规范中两种都是能够的，具体要看虚拟机的实现)。

注：咱们常常说的JVM中的栈，通常指的就是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)

本地方发栈相似于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块儿的，并无分开，如：Hot Spot虚拟机。

本地方法栈可能出现以下异常：

• 若是线程执行所需栈深度大于本地方法栈深度，则会抛出StackOverflowError。
• 若是能够动态扩展本地方法栈，可是扩展大小的时候没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，而后去模拟了一下常见异常的产生方式，固然，模拟异常的方式不少，关键要知道每一个区域存了哪些东西，模拟的时候对应生成就能够。

本文主要从整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作更详细的介绍。

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