Java虚拟机内存管理

我会带着你远行 2022-05-15 09:44 347阅读 0赞

对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制帮助下，不需要为每一个new操作去写配对的delete／free代码，不容易出现内存泄漏和溢出方面的问题。一旦出现内存泄漏和溢出问题，如果不了解虚拟机怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

## 运行时数据区域 ##

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。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以下几个运行时数据区域，如图所示：

![运行时数据区域][1]

### 程序计数器 ###

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存区域，可以把它看作是当前线程所执行的字节码的行号的指示器。在虚拟机概念模型中，字节码解释器工作时就是通过改变程序计数器的值来选取下一条需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需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器所执行时间的方式来实现的，在任何一个时刻，一个处理器（相对于多核处理器）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能够恢复到正确的执行位置，每条线程需要有一个独立的程序计数器，各线程之间计数器互相不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

> 如果线程正在执行的是一个Java方法，计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，计数器值则为空。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemeryError情况的区域。

### Java虚拟机栈 ###

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；每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

在java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机可以动态扩展（大部分Java虚拟机都可动态扩展，同时也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

### 本地方法栈 ###

本地方法栈是为虚拟机执行Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。

Sun HotSpot虚拟机将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

### Java堆 ###

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建，几乎所有的对象实例和数组都在这里分配。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也称做“GC堆”。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续的即可。在实现时，即可实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

### 方法区 ###

方法区（Method Area）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、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，但它却有一个别名叫做“Non-Heap（非堆）”，目的应该是与Java堆区分开来。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，**还可以选择不实现垃圾收集**。这区域的内存回收目标主要针对常量池的回收和对类型卸载，一般来说，这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

### 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种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行常量池中存放。

运行时常量池是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译器才能产生，也就是并非预置入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比较多是String类的intern()方法。

### 直接内存 ###

直接内存（Direct Memory）并不是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，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常。

在JDK 1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）的I／O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在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，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

如果各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

## HotSpot虚拟机如何处理对象分配、布局和访问 ##

### 对象分配 ###

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子常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。在类加载检查通过后，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便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。

**对象内存分配方式**:

1、指针碰撞

假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，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。

2、空闲列表

如果Java堆中内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，虚拟机就必须维护一个列表，记录上那些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一个足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。

选择哪种分配方式由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。因此，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，通常采用空闲列表。

**分配过程中如何解决线程安全**：

在并发情况下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情况。虚拟机通过以下两种方式解决线程安全问题：

1、对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；

2、把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在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）。那个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到内存空间都初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以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同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

在上面工作都完成之后，从虚拟机的视觉来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的视图来看，对象创建才刚刚开始——init方法还没有执行，所有的字段都还为零。一般类说（由字节码中是否随invokespecial指令所决定），执行new指令之后会接着执行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完全产生出来。

### 对象的内存布局 ###

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

### 对象头 ###

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，用于存储对象自身的运行时数据和类型指针。

1、存储对象自身的运行时数据

如哈希码、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，官方称为“Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32位和64位Bitmap结构所能记录的限度，但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存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。

2、类型指针

即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有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一定要经过对象本身。

### 实例数据 ###

实例数据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种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来 。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义顺序的影响。

### 对其填充 ###

对其填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于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。由于对象头部分正好是8字节的整数倍，因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

### 对象的访问定位 ###

建立对象是为了使用对象，Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中对象的具体位置，所以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。如下：

1、句柄访问

Java堆中会划分出一块内存来作为句柄池，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。

![句柄访问][1 1]

2、直接指针访问

Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址。

![直接指针访问][1 2]

使用句柄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非常普遍的）时只会改变句柄的实例数据指针，而reference本身不需要修改。

使用直接指针访问的最大好处就是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此也是一项非常客观的执行成本。Sun HotSpot虚拟机采用直接指针进行对象访问的。

## OutOfMemoryError异常 ##

在Java虚拟机规范的描述中，除了程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都发生OutOfMemoryError异常的可能。

### Java堆溢出 ###

Java堆用于存储对象实例，只要不断地创建对象，并且保证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。

/**
     * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     */
    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：

![OutOfMemoryError异常][OutOfMemoryError]

要解决这个区域的异常，一般的手段是先通过内存映像分析工具对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否是必要的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏还是内存溢出。如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。如果不存在泄漏，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，与机器物理内存对比看是否还可以调大，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情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。

### 虚拟机栈和本地方法栈溢出 ###

由于在HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此，对于HotSpot来说，虽然-Xoss参数（设置本地方法栈大小）存在，但实际上是无效的，栈容器只由-Xss参数设定。

/**
     * VM Args；-Xss160k
     */
    public class JavaVMStackSOF {
    
        private int stackLength = 1;
    
        public void stackLeak(){
            stackLength++;
            stackLeak();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
            oom.stackLeak();
        }
    
    }

### 方法区和运行时常量池溢出 ###

String.intern()是一个Native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此String对象的引用。在JDK 1.6及之前的版本中，由于常量池分配在永久代内，我们可以通过-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。

/**
     * VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
     */
    public class RuntimeConstantPoolOOM {
    
    
        public static void main(String[] args) {
    
            List<String> list = new ArrayList<String>();
    
            int i = 0;
            while (true){
                list.add(String.valueOf(i).intern());
            }
        }
    }

在JDK 1.8中运行出现如下提示,并没有出现内存溢出：

> Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10M; support was removed in 8.0
> 
> Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10M; support was removed in 8.0

网上搜索资料找到如下一段内容，说明其原因：

> 类的元数据, 字符串池, 类的静态变量将会从永久代移除, 放入Java heap或者native memory. 其中建议JVM的实现中将类的元数据放入native memory, 将字符串池和类的静态变量放入java堆中. 这样可以加载多少类的元数据就不在由MaxPermSize控制, 而由系统的实际可用空间来控制。

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[1 1]: https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/1/17/161035f35f64b2de?imageView2/0/w/1280/h/960/format/webp/ignore-error/1
[1 2]: https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/1/17/16102c86f4d79b63?imageView2/0/w/1280/h/960/format/webp/ignore-error/1
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