Java虛擬機器器記憶體結構及編碼實戰分享

瞭解JVM記憶體結構的目的

在Java的開發過程中，因為有JVM自動記憶體管理機制，不再需要像在C、C++開發那樣手動釋放物件的記憶體空間，不容易出現記憶體漏失和記憶體溢位的問題。但是，正是由於把記憶體管理的權利交給了JVM，一旦出現記憶體漏失和記憶體溢位方面的問題，如果不瞭解JVM是如何使用記憶體的，不瞭解JVM的記憶體結構是什麼樣子的，就很難找到問題的根源，就更難以解決問題。

JVM記憶體結構簡介

在JVM所管理的記憶體中，大致分為以下幾個執行時資料區域：

• 程式計數器：當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器。
• 虛擬機器器棧：Java方法執行的記憶體模型，用於儲存區域性變數表、運算元棧、動態連結、方法出口等資訊。
• 本地方法棧：本地方法執行的記憶體模型，和虛擬機器器棧非常相似，其區別是本地方法棧為JVM使用到的Native方法服務。
• 堆：用於儲存物件範例，是垃圾收集器管理的主要區域。
• 方法區：用於儲存已被JVM載入的類資訊、常數、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料。

其中，黃色區域的程式計數器、虛擬機器器棧和本地方法棧是執行緒私有的，紅色區域的堆和方法區是執行緒共用的。下面我們逐一詳細分析各個區域。

程式計數器

程式計數器（Program Counter Register）是一塊較小的記憶體空間，它記錄了當前執行緒所執行的位元組碼的行號。在JVM的概念模型裡，位元組碼直譯器工作時就是通過改變它的值來選取下一條需要執行的位元組碼指令，分支、迴圈、跳轉、例外處理、執行緒恢復等基礎功能都是依賴它來完成的。

通過執行緒輪流切換並分配處理器執行時間，實現了JVM的多執行緒操作。在任何一個確定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來說是一個核心）只會執行一條執行緒中的指令。因此，為了執行緒切換後能恢復到正確的執行位置，每條執行緒都需要有一個獨立的程式計數器，各條執行緒之間的計數器互不影響，獨立儲存，稱這類記憶體區域為“執行緒私有”的記憶體。

如果執行緒正在執行的是一個Java方法，那麼它記錄的是正在執行的虛擬機器器位元組碼指令的地址；如果正在執行的是Natvie方法，它的值就為空（Undefined）。此記憶體區域是唯一一個在Java虛擬機器器規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

虛擬機器器棧

與程式計數器一樣，Java虛擬機器器棧（Java Virtual Machine Stacks）也是執行緒私有的，如上圖每一個執行緒都有自己的虛擬機器器棧，它的生命週期與執行緒相同，當執行緒被建立時，虛擬機器器棧也同時被建立；當執行緒被銷燬時，虛擬機器器棧也同時被銷燬。

線上程內部，每個方法被執行的時候都會同時建立一個棧幀（Stack Frame），用於儲存區域性變數表、運算元棧、動態連結、方法出口等資訊，如上圖。每一個方法被呼叫直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機器器棧中從入棧到出棧的過程。

其中棧幀中的區域性變數表存放了編譯期可知的各種基本資料型別（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、物件參照（reference型別）和returnAddress型別（指向了一條位元組碼指令的地址）。

其中64位元長度的long和double型別的資料會佔用2個區域性變數空間（Slot），其餘的資料型別只佔用1個。區域性變數表所需的記憶體空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的區域性變數空間是完全確定的，在方法執行期間不會改變區域性變數表的大小。

在Java虛擬機器器規範中，對這個區域規定了兩種異常狀況：

如果執行緒請求的棧深度大於虛擬機器器所允許的深度，將丟擲StackOverflowError異常，讓我們寫一段程式碼，使其丟擲該異常：

/**
 * VM Args: -Xss128k
 */
public class JVMStackSOF {
	private int stackLength = 1;

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

	public static void main(String[] args) {
		JVMStackSOF sof = new JVMStackSOF();
		try {
			sof.stackLeak();
		} catch (Throwable e) {
			System.out.println("Stack length:" + sof.stackLength);
			throw e;
		}
	}
}

在執行之前，設定JVM的引數為-Xss128k，執行結果如下：

Stack length:1002
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:10)
    at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:11)
    at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:11)
......

棧的深度達到1002時，丟擲了StackOverflowError異常。

如果虛擬機器器棧可以動態擴充套件，當擴充套件時無法申請到足夠的記憶體時會丟擲OutOfMemoryError異常，還是讓我們寫一段程式碼，使其丟擲該異常：

/**
 * VM Args: -Xss2M
 */
public class JVMStackOOM {
	private void dontStop() {
		while (true) {

		}
	}

	public void stackLeakByThread() {
		while (true) {
			Thread t = new Thread(new Runnable() {
				public void run() {
					dontStop();
				}
			});
			t.start();
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		JVMStackOOM oom = new JVMStackOOM();
		oom.stackLeakByThread();
	}
}

這段程式碼會建立出無限多的執行緒，因為Java的執行緒會對映系統的核心執行緒上，所以會造成CPU佔用率100%，系統假死等現象，請謹慎執行。在執行之前，設定JVM的引數為-Xss2M，執行很長一段時間後結果如下：

Exception in thread "main" java.lang.OutMemoryError: unable to create new native thread
    at java.lang.Thread.start0(Native Method)
    at java.lang.Thread.start(Unknown Source)
    at OneMoreStudy.JVMStackOOM.stackLeakByThread(JVMStackOOM.java:18)
    at OneMoreStudy.JVMStackOOM.main(JVMStackOOM.java:24)

本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機器器棧所發揮的作用是非常相似的，其區別不過是虛擬機器器棧為虛擬機器器執行Java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機器器使用到的Native方法服務。

虛擬機器器規範中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與資料結構並沒有強制規定，所以具體的虛擬機器器可以自由實現它。甚至有的虛擬機器器（比如Sun HotSpot虛擬機器器）直接就把本地方法棧和虛擬機器器棧合二為一。與虛擬機器器棧一樣，本地方法棧區域也會丟擲StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

堆

Java堆（Java Heap）是Java虛擬機器器所管理的記憶體中最大的一塊。它是被所有執行緒共用的一塊記憶體區域，在虛擬機器器啟動時建立。它就是用來存放物件範例的，幾乎所有的物件範例都在這裡分配記憶體。

堆是垃圾收集器管理的主要區域，如果從記憶體回收的角度看，由於現在收集器基本都是採用的分代收集演演算法，所以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代；再細緻一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。從記憶體分配的角度看，執行緒共用的堆中又可能劃分出多個執行緒私有的分配快取區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

根據Java虛擬機器器規範的規定，Java堆可以處於物理上不連續的記憶體空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁碟空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是可延伸的，不過當前主流的虛擬機器器都是按照可延伸來實現的（通過-Xmx和-Xms控制）。

如果在堆中沒有記憶體完成範例分配，並且堆也無法再擴充套件時，將會丟擲OutOfMemoryError異常，再讓我們寫一段程式碼，使其丟擲該異常：

/*
 * VM Args: -Xms20M -Xmx20M
 */
public class HeapOOM {
	static class OOMObject{
		
	}
	
	public static void main(String[] args){
		List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
		
		while(true){
			//把物件範例放入列表中，
			//使其一直被參照，不會被垃圾回收
			list.add(new OOMObject());
		}
	}
}

在執行之前，設定JVM的引數為-Xms20M -Xmx20M，執行結果如下：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.grow(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.add(Unknown Source)
    at OneMoreStudy.HeapOOM.main(HeapOOM.java:18)
 

方法區

方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個執行緒共用的記憶體區域，它用於儲存已被JVM載入的類資訊、常數、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料。

對於習慣在HotSpot虛擬機器器上開發和部署程式的開發者來說，很多人願意把方法區稱為“永久代”（Permanent Generation），本質上兩者並不等價，僅僅是因為HotSpot虛擬機器器的設計團隊選擇把GC分代收集擴充套件至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已。在JDK7的HotSpot中，已經把原本在永久代的字串常數池移出，在JDK8的HotSpot中，已經沒有永久代的存在了，而是採用了新的記憶體空間：元空間（Metaspace）。

JVM規範對這個區域的限制非常寬鬆，除了和Java堆一樣不需要連續的記憶體和可以選擇固定大小或者可延伸外，還可以選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，但並不是資料進入了方法區就被一直存放。這個區域的記憶體回收目標主要是針對常數池的回收和對型別的解除安裝，一般來說這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是型別的解除安裝，條件相當苛刻，但是這部分割區域的回收確實是有必要的。

根據Java虛擬機器器規範的規定，當方法區無法滿足記憶體分配需求時，將丟擲OutOfMemoryError異常。再讓我們寫一段程式碼，嘗試使其丟擲該異常：

/*
 * VM Args: -XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
	public static void main(String[] args) {
		List<String> list = new ArrayList<String>();
		for (int i = 0; i < 100000; i++) {
			System.out.println(i);
			//將i轉化為字串，
			//並且呼叫intern()，把字串放在執行時常數池
			list.add(String.valueOf(i).intern());
		}
	}
}

在執行之前，設定JVM的引數為-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M。

在JDK6中執行丟擲了老年代的OutOfMemoryError異常，結果如下：

......
35813
35814
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
        at java.lang.String.intern(Native Method)
        at OneMoreStudy.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:12)
 

在JDK7中執行，迴圈全部完畢後，也沒有丟擲任何異常，結果如下：

......
99996
99997
99998
99999

同一段程式碼，在不同版本JDK中的執行結果為什麼是不同的呢？這是因為：在JDK6中，字串常數池還在永久代中，而在JDK7中，已經把原本在永久代的字串常數池移出了。

再再讓我們寫一段程式碼，嘗試使其丟擲該異常：

/*
 * VM Args: -XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M
 */
public class MethodAreaOOM {
	static class OOMObject {

	}
	
	public static void main(String[] args) {
		for (int i = 0; i < 300; i++) {
			System.out.println(i);
			createNewClass();
		}
	}

	private static void createNewClass() {
		//這裡使用了CGLIB，動態建立類，載入方法區
		Enhancer enhancer = new Enhancer();
		enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
		enhancer.setUseCache(false);
		enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {

			@Override
			public Object intercept(Object obj, Method method,
					Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
				return proxy.invokeSuper(obj, args);
			}
		});
		enhancer.create();
	}
}

在執行之前，設定JVM的引數為-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M。

在JDK6中執行丟擲了老年代的OutOfMemoryError異常，，結果如下：

......
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
        at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
        at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(Unknown Source)
        at java.lang.ClassLoader.defineClass(Unknown Source)
        ... 12 more

在JDK7中執行也丟擲了OutOfMemoryError異常，結果如下：

Exception in thread "main"
Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"

在JDK8中執行，迴圈全部完畢後，也沒有丟擲任何異常，結果如下：

......
298
299
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=2M; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=2M; support was removed in 8.0

同一段程式碼，在不同版本JDK中的執行結果為什麼是不同的呢？這是因為：在JDK6和JDK7中，永久代仍然存在，而在JDK8中，已經沒有永久代的存在了，而是採用了新的記憶體空間：元空間，並且JVM引數PermSize和MaxPermSize也被移出了。

總結

在JVM所管理的記憶體中，大致分為：程式計數器、虛擬機器器棧、本地方法棧、堆和方法區。程式計數器是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器。虛擬機器器棧是Java方法執行的記憶體模型，用於儲存區域性變數表、運算元棧、動態連結、方法出口等資訊。本地方法棧是本地方法執行的記憶體模型，和虛擬機器器棧非常相似，其區別是本地方法棧為JVM使用到的Native方法服務。堆是用於儲存物件範例的，是垃圾收集器管理的主要區域。方法區用於儲存已被JVM載入的類資訊、常數、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料。

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