从内存溢出看Java 环境中的内存结构

红太狼 2021-05-12 11:50 417阅读 0赞

作为有个java程序员，我想大家对下面出现的这几个场景并不陌生，倍感亲切，深恶痛绝，抓心挠肝，一定会回过头来问为什么为什么为什么会这样，嘿嘿，让我们看一下我们日常在开发过程中接触内存溢出的异常：

Exception inthread "main" \[Full GCjava.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)

at java.util.ArrayList.grow(Unknown Source)

atjava.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(Unknown Source)

atjava.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(Unknown Source)

at java.util.ArrayList.add(Unknown Source)

at oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:21)

Exception inthread "main" java.lang.StackOverflowError

at java.nio.CharBuffer.arrayOffset(UnknownSource)

at sun.nio.cs.UTF\_8.updatePositions(UnknownSource)

atsun.nio.cs.UTF\_8$Encoder.encodeArrayLoop(Unknown Source)

atsun.nio.cs.UTF\_8$Encoder.encodeLoop(Unknown Source)

atjava.nio.charset.CharsetEncoder.encode(Unknown Source)

atsun.nio.cs.StreamEncoder.implWrite(Unknown Source)

at sun.nio.cs.StreamEncoder.write(UnknownSource)

at java.io.OutputStreamWriter.write(UnknownSource)

atjava.io.BufferedWriter.flushBuffer(Unknown Source)

at java.io.PrintStream.write(UnknownSource)

at java.io.PrintStream.print(UnknownSource)

at java.io.PrintStream.println(UnknownSource)

java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space

Exception inthread "main" java.lang.OutOfMemoryError

at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(NativeMethod)

atoom.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:23)

是不是有大家很熟悉的，遇见这样的问题解决起来可能不简单，但是如果现在让大家写个程序，故意让程序出现下面的异常，估计能很快写出来的也不是很多，这就要求开发人员对于java内存区域以及jvm规范有比较深的了解。

既然抛出了异常，首先我们肯定这些都是内存异常，只是内存异常中的不同种类，我们就试着了解一下为什么会出现以上的异常，可以看出有两种异常状况：：

OutOfMemoryError

StackOverflowError

其中 OutOfMemoryError 是在程序无法申请到足够的内存的时候抛出的异常， StackOverflowError 是线程申请的栈深度大于虚拟机所允许的深度所抛出的异常。 可是从上面列出的异常内容也可以看出在 OutOfMemoryError 类型的一场中也存在这很多异常的可能。这是为什么？以为是在内存的不同结构中出现的错误，所以抛出的异常也就形形色色，说道这我们不得不介绍一下 java 的内存结构，请看下图（从网上摘的）：

![Center][]

在运行时的内存区域有5个部分，Method Area（方法区）,Java stack（java 虚拟机栈）,Native MethodStack（本地方法栈），Heap(堆)，Program CounterRegster(程序计数器)。从图中看出方法区和堆用黄色标记，和其他三个区域的不同点就是，方法区和堆是线程共享的，所有的运行在jvm上的程序都能访问这两个区域，堆，方法区和虚拟机的生命周期一样，随着虚拟机的启动而存在，而栈和程序计数器是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

Program Counter Regster（程序计数器）：每一个用户线程对应一个程序计数器，用来指示当前线程所执行字节码的行号。由程序计数器给文字码解释器提供吓一条要执行的字节码的的位置。根据jvm规范，在这个区域中不会抛出OutOfMemoryError的内存异常。

Java stack（java 虚拟机栈）：这个区域是最容易出现内存异常的区域，每一个线程对应生成一个线程栈，线程每执行一个方法的时候，都会创建一个栈帧，用来存放方法的局部变量表，操作树栈，动态连接，方法入口，这和C\#是不一样的，在C\#CLR中没有栈帧的概念，都是在线程栈中通过压栈和出栈的方式进行数据的保存。jvm规范对这个区域定义了两种内存异常，OutOfMemoryError，StackOverflowError。

Native MethodStack（本地方法栈）：和虚拟机栈一样，不同的是处理的对象不一样，虚拟机栈处理java的字节码，而本地栈则是处理的Native方法。其他方面一致。

Heap(堆)：前面说了堆是所有线程都能访问的，随着虚拟机的启动而存在，这块区域很大，因为所有的线程都在这个区域保存实例化的对象，因为每一个类型中，每个接口实现类需要的内存不一样，一个方法内的多个分支需要的内存也不尽相同，我们只有在运行的时候才能知道要创建多少对象，需要分配多大的地址空间。GC关注的正是这样的部分内容，所以很多时候也将堆称为GC堆。堆中肯定不会抛出StackOverflowError类型的异常，所以只有OutOfMemoryError相关类型的异常。

Method Area（方法区）：用于存放已被虚拟机加载的类信息，常量，静态方法，即使编译后的代码。同样只能抛出OutOfMemoryError相关类型的异常。

介绍完jvm内存结构中的常见区域，下面该是和我们主题呼应的时候了，在什么情况下，在那个区域，如何才能复现开始提到的异常信息？从第一个开始，异常信息的内容为：

Exception inthread "main" \[Full GCjava.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)

at java.util.ArrayList.grow(Unknown Source)

atjava.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(Unknown Source)

atjava.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(Unknown Source)

at java.util.ArrayList.add(Unknown Source)

at oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:21)

可想而知是在堆中出现的问题，如何重现，由于是在堆中出现这个异常，那么就要处理好，不能被垃圾回收器给回收了，设置一下jvm中堆的最大值（这样才能够更快的出现错误），设置jvm值的方法是通过\-Xms(堆的最小值)，\-Xmx(堆的最大值)。下面动手试一下：

package oom;

import java.util.ArrayList;

import java.util.List;

import testbean.UserBean;

/\*\*\*

\*  @author Think

\*/

public class HeapOOM \{

static class OOMObject \{

public static void main(String\[\] args) \{

List<UserBean> users = new ArrayList<UserBean>();

while (true) \{

users.add(newUserBean());

UserBean对象定义如下：

package testbean;

public class UserBean \{

String name;

int age;

public String getName() \{

return name;

public void setName(String name) \{

this.name= name;

public int getAge() \{

return age;

public void setAge(int age)\{

this.age =age;

public UserBean() \{

super();

然后在运行的时候设置jvm参数，如下：

![Center 1][]

运行一下看看结果：

Exception inthread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)

at java.util.ArrayList.grow(Unknown Source)

atjava.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(Unknown Source)

at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(UnknownSource)

at java.util.ArrayList.add(Unknown Source)

at oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:21)

成功在java虚拟机堆中溢出。

下面看第二个关于栈的异常，内容如下：

Exception inthread "main" java.lang.StackOverflowError

at java.nio.CharBuffer.arrayOffset(UnknownSource)

at sun.nio.cs.UTF\_8.updatePositions(UnknownSource)

at sun.nio.cs.UTF\_8$Encoder.encodeArrayLoop(UnknownSource)

atsun.nio.cs.UTF\_8$Encoder.encodeLoop(Unknown Source)

atjava.nio.charset.CharsetEncoder.encode(Unknown Source)

atsun.nio.cs.StreamEncoder.implWrite(Unknown Source)

at sun.nio.cs.StreamEncoder.write(UnknownSource)

at java.io.OutputStreamWriter.write(UnknownSource)

atjava.io.BufferedWriter.flushBuffer(Unknown Source)

at java.io.PrintStream.write(UnknownSource)

at java.io.PrintStream.print(Unknown Source)

at java.io.PrintStream.println(UnknownSource)

因为是与栈相关的话，那么我们在重现异常的时候就要相应的将栈内存容量设置的小一些，设置栈大小的方法是设置\-Xss参数，看如下实现：

package oom;

import testbean.Recursion;

/\*\*\*

\*  @author Think

\*/

public class VMStackOOM \{

public static void main(String\[\] args) \{

Recursion recursion = new Recursion();

try \{

recursion.recursionself();

\}  catch(Throwable e) \{

System.out.println("currentvalue :" + recursion.currentValue);

throw e;

Recursion的定义如下：

package testbean;

public class Recursion \{

public int currentValue = 0;

public void recursionself() \{

currentValue += 1;

recursionself();

运行时jvm参数的设置如下：

![Center 2][]

运行结果如下：

current value :999

Exception inthread "main" java.lang.StackOverflowError

attestbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:7)

attestbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8)

at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8)

省略下面的异常信息

第三个异常是关于perm的异常内容，我们需要的是设置方法区的大小，实现方式是通过设置\-XX:PermSize和\-XX:MaxPermSize参数，内容如下：

java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space

如果程序加载的类过多，例如tomcatweb容器，就会出现PermGen space异常，如果我将HeapOOM类的运行时的XX:PermSize设置为2M，如下：

![Center 3][]

那么程序就不会执行成功，执行的时候出现如下异常：

Error occurredduring initialization of VM

java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space

atsun.misc.Launcher$ExtClassLoader.getExtClassLoader(Unknown Source)

at sun.misc.Launcher.<init>(UnknownSource)

at sun.misc.Launcher.<clinit>(UnknownSource)

atjava.lang.ClassLoader.initSystemClassLoader(Unknown Source)

atjava.lang.ClassLoader.getSystemClassLoader(Unknown Source)

第四个异常估计遇到的人就不多了，是DirectMemory内存相关的，内容如下：

Exception inthread "main" java.lang.OutOfMemoryError

at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(NativeMethod)

atoom.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:23)

DirectMemoruSize可以通过设置 \-XX:MaxDirectMemorySize参数指定容量大小，如果不指定的话，那么就跟堆的最大值一致,下面是代码实现：

package oom;

import java.lang.reflect.Field;

import sun.misc.Unsafe;

/\*\*\*

\*  @author Think

\*/

public class DirectMemoryOOM \{

private static final int \_1MB = 1024 \* 1024;

public static void main(String\[\] args) throwsIllegalArgumentException,

IllegalAccessException \{

Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()\[0\];

unsafeField.setAccessible(true);

Unsafe unsafe = (Unsafe)unsafeField.get(null);

while (true) \{

unsafe.allocateMemory(\_1MB);

运行时设置的jvm参数如下：

![Center 4][]

很容易就复线了异常信息：

Exception inthread "main" java.lang.OutOfMemoryError

at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(NativeMethod)

atoom.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:23)

[Center]: /images/20210511/0bc72f19bb2f4e23887d2bceab192bd4.png
[Center 1]: /images/20210511/6c145b4c95454c70b54bd9815fff4c97.png
[Center 2]: /images/20210511/b7c6099f5b5e4a40b22abb4a708e3b20.png
[Center 3]: /images/20210511/e53a46b009024dd19a7d4c86e88cdc60.png
[Center 4]: /images/20210511/684642ba76714fd4be32662436e16be1.png