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JVM运行数据区深度解析

JVM运行数据区深度解析

运行数据区

字节码只是一个二进制文件存放在那里。要想在jvm里跑起来，先得有个运行的内存环境。

也就是我们所说的jvm运行时数据区。

1）运行时数据区的位置

运行时数据区是jvm中最为重要的部分，执行引擎频繁操作的就是它。类的初始化，以及后面我们讲的对象空间的分配、垃圾的回收都是在这块区域发生的。

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2）区域划分

根据《Java虚拟机规范》中的规定，在运行时数据区将内存细分为几个部分

线程私有的：Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）、程序计数器（Program Counter Register）、本地方法栈（Native Method Stacks）

大家共享的：方法区（Method Area）、Java堆区（Java Heap）

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接下来我们分块详细来解读，每一块是做什么的，如果溢出了会发生什么事情

1.1 程序计数器

1.1.1 概述

程序计数器（Program Counter Register）

  • 每个线程一个。是一块较小的内存空间，它表示当前线程执行的字节码指令的地址。

  • 字节码解释器工作时，通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，所以整个程序无论是分支、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。

  • 由于线程是多条并行执行的，互相之间执行到哪条指令是不一样的，所以每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

  • 如果是native方法，这里为空

1.1.2 溢出异常

没有！

在虚拟机规范中，没有对这块区域设定内存溢出规范，也是唯一一个不会溢出的区域

1.1.3 案例

因为它不会溢出，所以我们没有办法给它造一个，但是从class类上可以找到痕迹。

回顾上面javap的反汇编，其中code所对应的编号就可以理解为计数器中所记录的执行编号。

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1.2 虚拟机栈

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1.2.1 概述

  • 也是线程私有的！生命周期与线程相同。
  • 它描述的是Java方法执行的当前线程的内存模型，每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

1.2.2 溢出异常

1）栈深度超出设定

如果是创建的栈的深度大于虚拟机允许的深度，抛出

Exception in thread “main” java.lang.StackOverflowError

2）内存申请不足

如果栈允许内存扩展，但是内存申请不够的时候，抛出 OutOfMemoryError

注意！这一点和具体的虚拟机有关，hotspot虚拟机并不支持栈空间扩展，所以单线程环境下，一个线程创建时，分配给它固定大小的一个栈，在这个固定栈空间上不会出现再去扩容申请内存的情况，也就不会遇到申请不到一说，只会因为深度问题超出固定空间造成上面的StackOverflowError

如果换成多线程，毫无节制的创建线程，还是有可能造成OutOfMemoryError。但是这个和Xss栈空间大小无关。是因为线程个数太多，栈的个数太多，导致系统分配给jvm进程的物理内存被吃光。

这时候虚拟机会附带相关的提示：

Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: unable to create native thread

ps: 每个线程默认分配1M空间（64位linux，hotspot环境）

疑问：是不是改小Xss的值就可以得到栈空间溢出呢？

答：根据上面的分析，hotspot下不可以，还是会抛出StackOverflowError，无非深度更小了。

1.2.3 案例一：进出栈顺序

1）代码

package com.itheima.jvm.demo;

/**
 * 程序模拟进栈、出栈过程
 * 先进后出
 */
public class StackInAndOut {
    /**
     * 定义方法一
     */
    public static void A() {
        System.out.println("进入方法A");
    }

    /**
     * 定义方法二;调用方法一
     */
    public static void B() {
        A();
        System.out.println("进入方法B");
    }

    public static void main(String[] args) {

        B();
        System.out.println("进入Main方法");
    }
}

2）运行结果：

进入方法A
进入方法B
进入Main方法

3）栈结构：

main方法—->B方法—->A方法
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1.2.4 案例二：栈深度溢出

1）代码

这个容易实现，方法嵌套自己就可以：

package com.itheima.jvm.demo;

/**
 * 通过一个程序模拟线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的栈深度；
 * 抛出StackOverflowError
 */
public class StackOverFlow {
    /**
     * 定义方法，循环嵌套自己
     */
    public static void B() {
        B();
        System.out.println("进入方法B");
    }

    public static void main(String[] args) {

        B();
        System.out.println("进入Main方法");
    }
}

2）运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
	at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
	at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
	at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
	at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)

3）栈结构：

file

1.2.5 案例三：栈内存溢出

一直不停的创建线程就可以堆满栈

但是！这个很危险，到32系统的winxp上勇敢的小伙伴可以试一试，机器卡死不负责！

package com.itheima.jvm.demo;

/*
* 栈内存溢出，注意！很危险，谨慎执行
* 执行时可能会卡死系统。直到内存耗尽
* */
public class StackOutOfMem {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            new Thread(() -> {
                while(true);
            }).start();
        }
    }
}

1.3 本地方法栈

1.3.1 概述

  • 本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈，均具有线程隔离的特点

  • 不同的是，本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法，而虚拟机栈服务的是JVM执行的java方法

  • 虚拟机规范里对这块所用的语言、数据结构、没有强制规定，虚拟机可以自由实现它

  • 甚至，hotspot把它和虚拟机栈合并成了1个

1.3.2 溢出异常

和虚拟机栈一样，也是两个：

如果是创建的栈的深度大于虚拟机允许的深度，抛出 StackOverFlowError

内存申请不够的时候，抛出 OutOfMemoryError

1.4 堆

1.4.1 概述

与上面的3个不同，堆是所有线程共享的！所谓的线程安全不安全也是出自这里。

在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

需要注意的是，《Java虚拟机规范》并没有对堆进行细致的划分，所以对于堆的讲解要基于具体的虚拟机，我们以使用最多的HotSpot虚拟机为例。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此它也被称作“GC堆”，这就是我们做JVM调优的重点区域部分。

1.4.2 jdk1.7

jvm的内存模型在1.7和1.8有较大的区别，虽然1.7目前使用的较少了，但是我们也是需要对1.7的内存模型有所了解，所以接下里，我们将先学习1.7再学习1.8的内存模型。

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  • Young 年轻区（代）

    Young区被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区

    其中，Survivor区间中，某一时刻只有其中一个是被使用的，另外一个留做垃圾收集时复制对象用

    在Eden区间变满的时候， GC就会将存活的对象移到空闲的Survivor区间中，根据JVM的策略，在经过几次垃圾收集后，任然存活于Survivor的对象将被移动到下面的Tenured区间。

  • Tenured 年老区

    Tenured区主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象，当一些对象在Young复制转移一定的次数以后，对象就会被转移到Tenured区，一般如果系统中用了application级别的缓存，缓存中的对象往往会被转移到这一区间。

  • Perm 永久区

    hotspot 1.6 才有这货，现在已经成为历史

    Perm代主要保存class,method,filed对象，这部份的空间一般不会溢出，除非一次性加载了很多的类，不过在涉及到热部署的应用服务器的时候，有时候会遇到java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的错误，造成这个错误的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，类的class没有被卸载掉，这样就造成了大量的class对象保存在了perm中，这种情况下，一般重新启动应用服务器可以解决问题。另外一种可能是创建了大批量的jsp文件，造成类信息超出perm的上限而溢出。这种重启也解决不了。只能调大空间。

  • Virtual区：

    jvm参数可以设置一个范围，最大内存和初始内存的差值，就是Virtual区。

1.4.3 jdk1.8

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由上图可以看出，jdk1.8的内存模型是由2部分组成，年轻代 + 年老代。永久代被干掉，换成了Metaspace（元数据空间）

年轻代：Eden + 2*Survivor （不变）

年老代：OldGen （不变）

元空间：原来的perm区 （重点！）

需要特别说明的是：Metaspace所占用的内存空间不是在虚拟机内部，而是在本地内存空间中，这也是与1.7的永久代最大的区别所在。

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1.4.4 溢出异常

内存不足时，抛出

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

1.4.5 案例：堆溢出

1）代码

分配大量对象，超出jvm规定的堆范围即可

package com.itheima.jvm.demo;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 堆溢出
 *   -Xms20m -Xmx20m
 */
public class HeapOOM {
    Byte[] bytes = new Byte[1024*1024];
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        int i = 0;
        while (true) {
            System.out.println(++i);
            list.add(new HeapOOM());
        }
    }
}

2）启动

注意启动时，指定一下堆的大小：

file

2）输出

1
2
3
4
5
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at com.itheima.jvm.demo.HeapOOM.<init>(HeapOOM.java:7)
	at com.itheima.jvm.demo.HeapOOM.main(HeapOOM.java:13)

1.5 方法区

1.5.1 概述

同样，线程共享的。

它主要用来存储类的信息、类里定义的常量、静态变量、编译器编译后的代码缓存。

注意！方法区在虚拟机规范里这是一个逻辑概念，它具体放在那个区域里没有严格的规定。

所以，hotspot 1.7 将它放在了堆的永久代里，1.8+单独开辟了一块叫metaspace来存放一部分内容（不是全部！定义的类对象在堆里）

具体方法区主要存什么东西呢？粗略的分，可以划分为两类：

  • 类信息：主要指类相关的版本、字段、方法、接口描述、引用等

  • 运行时常量池：编译阶段生成的常量与符号引用、运行时加入的动态变量

    （常量池里的类变量，如对象或字符串，比较特殊，1.6和1.8位置不同，下面会讲到）

小提示：

这里经常会跟上面堆里的永久代混为一谈，实际上这是两码事

永久代是hotspot在1.7及之前才有的设计，1.8+，以及其他虚拟机并不存在这个东西。

可以说，永久代是1.7的hotspot偷懒的结果，他在堆里划分了一块来实现方法区的功能，叫永久代。因为这样可以借助堆的垃圾回收来管理方法区的内存，而不用单独为方法区再去编写内存管理程序。懒惰！

同时代的其他虚拟机，如J9，Jrockit等，没有这个概念。后来hotspot认识到，永久代来做这件事不是一个好主意。1.7已经从永久代拿走了一部分数据，直到1.8+彻底去掉了永久代，方法区大部分被移到了metaspace（再强调一下，不是全部！）

结论：

方法区是一定存在的，这是虚拟机规定的，但是是个逻辑概念，在哪里虚拟机自己去决定

而永久代不一定存在（hotspot 1.7 才有），已成为历史

1.5.2 溢出异常

1.6：OutOfMemoryError: PermGen space

1.8：OutOfMemoryError: Metaspace

1.5.3 案例：1.6方法区溢出

1）原理

file
在1.6里，字符串常量是运行时常量池的一部分，也就是归属于方法区，放在了永久代里。

所以1.6环境下，让方法区溢出，只需要可劲造往字符串常量池中造字符串即可，这里用到一个方法：

/*
如果字符串常量池里有这个字符串，直接返回引用，不再额外添加
如果没有，加进去，返回新创建的引用
*/
String.intern()

2）代码

/**
 * 方法区溢出，注意限制一下永久代的大小
 * 编译的时候注意pom里的版本，要设置1.6，否则启动会有问题
 * jdk1.6  :     -XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
 */
public class ConstantOOM {

    public static void main(String[] args) {
        ConstantOOM oom = new ConstantOOM();
        Set<String> stringSet = new HashSet();
        int i = 0;
        while (true) {
            System.out.println(++i);
            stringSet.add(String.valueOf(i).intern());
        }
    }
}

3）创建启动环境

file

4）异常信息：

...
19118
19119
19120
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
	at java.lang.String.intern(Native Method)
	at com.itheima.jvm.demo.ConstantOOM.main(ConstantOOM.java:19)

1.5.4 案例：1.8方法区溢出

1）到了1.8，情况发生了变化

可以测试一下，1.8下无论指定下面的哪个参数，常量池运行都不会溢出，会一直打印下去

-XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
-XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M

2）配置运行环境

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3）控制台信息

不会抛出异常，只要你jvm堆内存够，理论上可以一直打下去

file

4）为什么呢？

永久代我们加了限制，结果没意义，因为1.8里已经没有这货了

元空间也加了限制，同样没意义，那说明字符串常量池它不在元空间里！

那么，它在哪里呢？

file

jdk1.8以后，字符串常量池被移到了堆空间，和其他对象一样，接受堆的控制。

其他的运行时的类信息、基本数据类型等在元空间。

我们可以验证一下，对上面的运行时参数再加一个堆上限限制：

-Xms10m
-Xmx10m

运行环境如下：

file

运行没多久，你会得到以下异常:

……
84014
84015
84016
84017
84018
84019
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded
	at java.lang.Integer.toString(Integer.java:403)
	at java.lang.String.valueOf(String.java:3099)
	at com.itheima.jvm.demo.ConstantOOM.main(ConstantOOM.java:18)

说明：1.8里，字符串inter()被放在了堆里，受最大堆空间的限制。

5）那如何才能让元空间溢出呢？

既然字符串常量池不在这里，那就换其他的。类的基本信息总在元空间吧？我们来试一下

cglib是一个apache下的字节码库，它可以在运行时生成大量的对象，我们while循环同时限制metaspace试试：

附：https://gitee.com/mirrors/cglib （想深入了解这个工具的猛击左边，这里不做过多讨论）

package com.itheima.jvm.demo;

import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

import java.lang.reflect.Method;

/**
 * jdk8方法区溢出
 *   -XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M
 */
public class ConstantOOM8 {
    public static void main(final String[] args) {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(OOM.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                @Override
                public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                    return methodProxy.invokeSuper(objects,args);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }

    static class OOM{

    }
}

6）运行设置

file

7）运行结果

Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
	at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)

结论：

jdk8引入元空间来存储方法区后，内存溢出的风险比历史版本小多了，但是在类超出控制的时候，依然会打爆方法区

1.6 一个案例

为便于大家理解和记忆，下面我们用一个案例，把上面各个区串通起来。

假设有个Bootstrap的类，执行main方法。在jvm里，它从class文件到跑起来，大致经过如下步骤：

file

  1. 首先JVM会先将这个Bootstrap.class 信息加载到内存中的方法区
  2. 接着，主线程开辟一块内存空间，准备好程序计数器pc，虚拟机栈、本地方法栈
  3. 然后，JVM会在Heap堆上为Bootstrap.class 创建一个Bootstrap.class 的类实例
  4. JVM开始执行main方法，这时在虚拟机栈里为main方法创建一个栈帧
  5. main方法在执行的过程之中，调用了greeting方法，则JVM会为greeting方法再创建一个栈帧，推到虚拟机栈顶，在main的上面，每次只有一个栈帧处于活动状态，当前为greeting
  6. 当greeting方法运行完成后，则greeting方法出栈，当前活动帧指向main，方法继续往下运行

1.7 归纳总结

file

1）独享/共享的角度：

  • 独享：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
  • 共享：堆、方法区

2）error的角度：

  • 程序计数器：不会溢出，比较特殊，其他都会
  • 两个栈：可能会发生两种溢出，一是深度超了，报StackOverflowError，空间不足：OutOfMemoryError
  • 堆：只会在空间不足时，报OutOfMemoryError，会提示heapSpace
  • 方法区：空间不足时，报OutOfMemoryError，提示不同，1.6是permspace，1.8是元空间，和它在什么地方有关

3）归属：

  • 计数器、虚拟机栈、本地方法栈：线程创建必须申请配套，真正的物理空间
  • 堆：真正的物理空间，但是内部结构的划分有变动，1.6有永久代，1.8被干掉
  • 方法区：最没归属感的一块，原因就是它是一个逻辑概念。1.6被放在了堆的永久代，1.8被拆分，一部分在元空间，一部分（方法区的运行时常量池里面的类对象，包括字符串常量，被设计放在了堆里）
  • 直接内存：这块实际上不属于运行时数据区的一部分，而是直接操作物理内存。在nio操作里DirectByteBuffer类可以对native操作，避免流在堆内外的拷贝。我们下一步的调优不会涉及到它，了解即可。

本文由传智教育博学谷教研团队发布。

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