从内存溢出看Java 环境中的内存结构
作為有個java程序員，我想大家對下面出現(xiàn)的這幾個場景并不陌生，倍感親切，深惡痛絕，抓心撓肝，一定會回過頭來問為什么為什么為什么會這樣，嘿嘿，讓我們看一下我們?nèi)粘Ｔ陂_發(fā)過程中接觸內(nèi)存溢出的異常：
Exception in thread "main" [Full GCjava.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 oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:21)
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowErrorat java.nio.CharBuffer.arrayOffset(Unknown Source)at sun.nio.cs.UTF_8.updatePositions(Unknown Source)at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeArrayLoop(Unknown Source)at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeLoop(Unknown Source)at java.nio.charset.CharsetEncoder.encode(Unknown Source)at sun.nio.cs.StreamEncoder.implWrite(Unknown Source)at sun.nio.cs.StreamEncoder.write(Unknown Source)at java.io.OutputStreamWriter.write(Unknown Source)at java.io.BufferedWriter.flushBuffer(Unknown Source)at java.io.PrintStream.write(Unknown Source)at java.io.PrintStream.print(Unknown Source)at java.io.PrintStream.println(Unknown Source)
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryErrorat sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)at oom.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:23)
是不是有大家很熟悉的，遇見這樣的問題解決起來可能不簡單，但是如果現(xiàn)在讓大家寫個程序，故意讓程序出現(xiàn)下面的異常，估計能很快寫出來的也不是很多，這就要求開發(fā)人員對于java內(nèi)存區(qū)域以及jvm規(guī)范有比較深的了解。
既然拋出了異常，首先我們肯定這些都是內(nèi)存異常，只是內(nèi)存異常中的不同種類，我們就試著了解一下為什么會出現(xiàn)以上的異常，可以看出有兩種異常狀況：：
OutOfMemoryError
StackOverflowError
其中OutOfMemoryError是在程序無法申請到足夠的內(nèi)存的時候拋出的異常，StackOverflowError是線程申請的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度所拋出的異常。 可是從上面列出的異常內(nèi)容也可以看出在OutOfMemoryError類型的一場中也存在這很多異常的可能。這是為什么？以為是在內(nèi)存的不同結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的錯誤，所以拋出的異常也就形形色色，說道這我們不得不介紹一下java的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，請看下圖（從網(wǎng)上摘的）：
在運(yùn)行時的內(nèi)存區(qū)域有5個部分，Method Area（方法區(qū)）,Java stack（java 虛擬機(jī)棧）,Native MethodStack（本地方法棧），Heap(堆)，Program Counter Regster(程序計數(shù)器)。從圖中看出方法區(qū)和堆用黃色標(biāo)記，和其他三個區(qū)域的不同點(diǎn)就是，方法區(qū)和堆是線程共享的，所有的運(yùn)行在jvm上的程序都能訪問這兩個區(qū)域，堆，方法區(qū)和虛擬機(jī)的生命周期一樣，隨著虛擬機(jī)的啟動而存在，而棧和程序計數(shù)器是依賴用戶線程的啟動和結(jié)束而建立和銷毀。
Program Counter Regster（程序計數(shù)器）：每一個用戶線程對應(yīng)一個程序計數(shù)器，用來指示當(dāng)前線程所執(zhí)行字節(jié)碼的行號。由程序計數(shù)器給文字碼解釋器提供嚇一條要執(zhí)行的字節(jié)碼的的位置。根據(jù)jvm規(guī)范，在這個區(qū)域中不會拋出OutOfMemoryError的內(nèi)存異常。
Java stack（java 虛擬機(jī)棧）：這個區(qū)域是最容易出現(xiàn)內(nèi)存異常的區(qū)域，每一個線程對應(yīng)生成一個線程棧，線程每執(zhí)行一個方法的時候，都會創(chuàng)建一個棧幀，用來存放方法的局部變量表，操作樹棧，動態(tài)連接，方法入口，這和C#是不一樣的，在C#CLR中沒有棧幀的概念，都是在線程棧中通過壓棧和出棧的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存。jvm規(guī)范對這個區(qū)域定義了兩種內(nèi)存異常，OutOfMemoryError，StackOverflowError。
Native MethodStack（本地方法棧）：和虛擬機(jī)棧一樣，不同的是處理的對象不一樣，虛擬機(jī)棧處理java的字節(jié)碼，而本地棧則是處理的Native方法。其他方面一致。
Heap(堆)：前面說了堆是所有線程都能訪問的，隨著虛擬機(jī)的啟動而存在，這塊區(qū)域很大，因為所有的線程都在這個區(qū)域保存實例化的對象，因為每一個類型中，每個接口實現(xiàn)類需要的內(nèi)存不一樣，一個方法內(nèi)的多個分支需要的內(nèi)存也不盡相同，我們只有在運(yùn)行的時候才能知道要創(chuàng)建多少對象，需要分配多大的地址空間。GC關(guān)注的正是這樣的部分內(nèi)容，所以很多時候也將堆稱為GC堆。堆中肯定不會拋出StackOverflowError類型的異常，所以只有OutOfMemoryError相關(guān)類型的異常。
Method Area（方法區(qū)）：用于存放已被虛擬機(jī)加載的類信息，常量，靜態(tài)方法，即使編譯后的代碼。同樣只能拋出OutOfMemoryError相關(guān)類型的異常。
介紹完jvm內(nèi)存結(jié)構(gòu)中的常見區(qū)域，下面該是和我們主題呼應(yīng)的時候了，在什么情況下，在那個區(qū)域，如何才能復(fù)現(xiàn)開始提到的異常信息？從第一個開始，異常信息的內(nèi)容為：
Exception in thread "main" [Full GCjava.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 oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:21)
可想而知是在堆中出現(xiàn)的問題，如何重現(xiàn)，由于是在堆中出現(xiàn)這個異常，那么就要處理好，不能被垃圾回收器給回收了，設(shè)置一下jvm中堆的最大值（這樣才能夠更快的出現(xiàn)錯誤），設(shè)置jvm值的方法是通過-Xms(堆的最小值)，-Xmx(堆的最大值)。下面動手試一下：
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(new UserBean());}} }
UserBean對象定義如下：
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();}}
然后在運(yùn)行的時候設(shè)置jvm參數(shù)，如下：
運(yùn)行一下看看結(jié)果：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap spaceat 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 oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:21)
成功在java虛擬機(jī)堆中溢出。
下面看第二個關(guān)于棧的異常，內(nèi)容如下：
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowErrorat java.nio.CharBuffer.arrayOffset(Unknown Source)at sun.nio.cs.UTF_8.updatePositions(Unknown Source)at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeArrayLoop(Unknown Source)at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeLoop(Unknown Source)at java.nio.charset.CharsetEncoder.encode(Unknown Source)at sun.nio.cs.StreamEncoder.implWrite(Unknown Source)at sun.nio.cs.StreamEncoder.write(Unknown Source)at java.io.OutputStreamWriter.write(Unknown Source)at java.io.BufferedWriter.flushBuffer(Unknown Source)at java.io.PrintStream.write(Unknown Source)at java.io.PrintStream.print(Unknown Source)at java.io.PrintStream.println(Unknown Source)
因為是與棧相關(guān)的話，那么我們在重現(xiàn)異常的時候就要相應(yīng)的將棧內(nèi)存容量設(shè)置的小一些，設(shè)置棧大小的方法是設(shè)置-Xss參數(shù)，看如下實現(xiàn)：
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("current value :" + recursion.currentValue);throw e;}}}
Recursion的定義如下：
package testbean;public class Recursion {public int currentValue = 0;public void recursionself() {currentValue += 1;recursionself();} }
運(yùn)行時jvm參數(shù)的設(shè)置如下：
運(yùn)行結(jié)果如下：
current value :999 Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowErrorat testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:7)at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8)at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8)at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8)at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8)at testbean.Recursion.recursionself(Recursion.java:8) 省略下面的異常信息
第三個異常是關(guān)于perm的異常內(nèi)容，我們需要的是設(shè)置方法區(qū)的大小，實現(xiàn)方式是通過設(shè)置-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize參數(shù)，內(nèi)容如下：
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
如果程序加載的類過多，例如tomcatweb容器，就會出現(xiàn)PermGen space異常，如果我將HeapOOM類的運(yùn)行時的XX:PermSize設(shè)置為2M，如下：
那么程序就不會執(zhí)行成功，執(zhí)行的時候出現(xiàn)如下異常：
Error occurred during initialization of VM java.lang.OutOfMemoryError: PermGen spaceat sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.getExtClassLoader(Unknown Source)at sun.misc.Launcher.<init>(Unknown Source)at sun.misc.Launcher.<clinit>(Unknown Source)at java.lang.ClassLoader.initSystemClassLoader(Unknown Source)at java.lang.ClassLoader.getSystemClassLoader(Unknown Source)
第四個異常估計遇到的人就不多了，是DirectMemory內(nèi)存相關(guān)的，內(nèi)容如下：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryErrorat sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)at oom.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:23)
DirectMemoruSize可以通過設(shè)置 -XX:MaxDirectMemorySize參數(shù)指定容量大小，如果不指定的話，那么就跟堆的最大值一致,下面是代碼實現(xiàn)：
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) throws IllegalArgumentException,IllegalAccessException {Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];unsafeField.setAccessible(true);Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);while (true) {unsafe.allocateMemory(_1MB);}} }
運(yùn)行時設(shè)置的jvm參數(shù)如下：
很容易就復(fù)線了異常信息：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryErrorat sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)at oom.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:23)
?
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的从内存溢出看Java 环境中的内存结构的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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