Java内存区域与内存溢出异常

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙,墙外面的人想进去,墙里面的人却想出来。 按照《Java虚拟机规范(第2版)》的规定,Java虚拟机所管理的内存将包括以下几个运行时数据区域,来个图更加直观点,如下图所示:

程序计数器

Program Counter Register是一块较小的内存空间,它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。 每个线程都有一个独立的程序计数器,各个线程之间计数器互不影响,独立存储。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

也是线程私有的,它的生命周期与线程相同。每个方法被执行的时候会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法被调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。 如果线程请求栈深度大于虚拟机所允许的深度,抛出StackOverflowError 如果虚拟机栈可以动态扩展,扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError

本地方法栈

Native Method Stacks与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,只不过一个是执行Java方法,一个是Nataive方法,HotSpot虚拟机直接将两者合二为一了

Java堆

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。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,很多时候称为GC堆。 如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError

方法区

Method Area与Java堆一样,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、JIT编译后的代码等数据。 当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError。

运行时常量池

Runtime Constant Pool是方法区的一部分。用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。 当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

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,但是这部分也是频繁使用。在Java的NIO中使用到,服务器管理员忽略直接内存后果是,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。

OutOfMemoryError异常

Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例,我们只要不断创建对象,并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免GC清除这些对象,就会在对象数量到达最大堆的容量限制后产生内存溢出异常。

1
VM Args: -Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError这个参数可以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事后进行分析。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
* VM Args: -Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
* @author Administrator
*
*/
public class HeapOOM {
static class OOMObject{
private String name;
public OOMObject(String name) {
this.name = name;
}
}
public static void main(String[] args) {
List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
long i = 1;
while(true) {
list.add(new OOMObject("IpConfig..." + i++));
}
}
}

抛出的异常:

1
2
3
4
5
6
Dumping heap to java_pid27828.hprof ...
Heap dump file created [14123367 bytes in 0.187 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.lang.AbstractStringBuilder.<init>(AbstractStringBuilder.java:45)
at java.lang.StringBuilder.<init>(StringBuilder.java:92)
at com.baoxian.HeapOOM.main(HeapOOM.java:22)

注:出现Java堆内存溢出时,异常堆栈信息 java.lang.OutOfMemoryError 后面会紧跟着 Java heap space。

要解决这个异常,一般手段是首先通过内存映像分析工具比如Eclipse Memory Analyzer对dump出来的堆转储快照进行分析,重点是确认内存中对象是否是必要的,也就是要弄清楚到底是出现了内存泄露 Memory Leak还是内存溢出 Memory Overflow。 如果是内存泄露,可进一步通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄露对象时通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们。掌握了泄露对象的类型信息,以及GC Roots引用链的信息,就可以比较准确的定位出泄露代码的位置了。 如果不存在泄露,那么就该修改-Xms 和 -Xms堆参数看能否加大点。

虚拟机栈和本地方法栈溢出

-Xoss参数设置本地方法栈大小,对于HotSpot没用。栈容量只由-Xss参数设定

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
/**
* VM Args: -Xss128k
* @author Administrator
*
*/
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;
}

}

}

抛出异常:

1
2
3
4
5
6
stack length: 1007
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at com.baoxian.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:11)
at com.baoxian.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)
at com.baoxian.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)
at com.baoxian.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)。。。。

运行时常量池溢出

运行时常量池分配在方法区内,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。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
* VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
* @author Administrator
*
*/
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());
}
}
}

抛出异常:

1
2
3
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.String.intern(Native Method)
at com.baoxian.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:18)

运行时常量池溢出,在java.lang.OutOfMemoryError后面紧跟着是PermGen space

方法区溢出

方法区用于存放Class的相关信息,如类名、访问修饰符、常量池、字段描述符、方法描述等。对于这个区域的测试,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。比如动态代理会生成动态类。 使用CGLib技术直接操作字节码运行,生成大量的动态类。当前很多主流框架如Spring和Hibernate对类进行增强都会使用CGLib这类字节码技术,增强的类越多,就需要越大的方法区来保证动态生成的Class可以加载入内存。

异常:

1
2
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.String.intern(Native Method)

同样,跟常量池一样,都是PermGen space字符串出现。 方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常,一个类如果要被垃圾收集器回收,判定条件是非常苛刻的。在经常动态生成大量Class的应用中,需要特别注意类的回收状况。这类场景除了上面提到的程序使用GCLib字节码技术外,常见的还有: 大量JSP或动态产生的JSP文件的应用(JSP第一次运行时需要编译为Java类)、基于OSGi应用等。

本机直接内存溢出

DirectMemory容量可以通过-XX:MaxDirectMemorySize指定,如果不指定,则默认与Java堆的最大值-Xmx指定一样。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
/**
* VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
* @author Administrator
*
*/
public class DirectMemoryOOM {
private static final int _1MB = 1024 * 1024;
public static void main(String[] args) {
Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
unsafeField.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
while(true) {
unsafe.allocateMemory(_1MB);
}
}
}

在OutOfMemoryError后面不会有任何东西了,这就是DirectMemory内存溢出了。