Java核心技术面试精讲

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来源:https://time.geekbang.org/column/intro/100006701

第25讲 谈谈JVM内存区域的划分,哪些区域可能发生OutOfMemoryError?

x33g5p2x  于2021-03-13 发布在 其他  
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今天,我将从内存管理的角度,进一步探索 Java 虚拟机(JVM)。垃圾收集机制为我们打理了很多繁琐的工作,大大提高了开发的效率,但是,垃圾收集也不是万能的,懂得 JVM 内部的内存结构、工作机制,是设计高扩展性应用和诊断运行时问题的基础,也是 Java 工程师进阶的必备能力。

今天我要问你的问题是,谈谈 JVM 内存区域的划分,哪些区域可能发生 OutOfMemoryError?

典型回答

通常可以把 JVM 内存区域分为下面几个方面,其中,有的区域是以线程为单位,而有的区域则是整个 JVM 进程唯一的。

首先,程序计数器(PC,Program Counter Register)。在 JVM 规范中,每个线程都有它自己的程序计数器,并且任何时间一个线程都只有一个方法在执行,也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的 Java 方法的 JVM 指令地址;或者,如果是在执行本地方法,则是未指定值(undefined)。

第二,Java 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack),早期也叫 Java 栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈,其内部保存一个个的栈帧(Stack Frame),对应着一次次的 Java 方法调用。

前面谈程序计数器时,提到了当前方法;同理,在一个时间点,对应的只会有一个活动的栈帧,通常叫作当前帧,方法所在的类叫作当前类。如果在该方法中调用了其他方法,对应的新的栈帧会被创建出来,成为新的当前帧,一直到它返回结果或者执行结束。JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个,就是对栈帧的压栈和出栈。

栈帧中存储着局部变量表、操作数(operand)栈、动态链接、方法正常退出或者异常退出的定义等。

第三,(Heap),它是 Java 内存管理的核心区域,用来放置 Java 对象实例,几乎所有创建的 Java 对象实例都是被直接分配在堆上。堆被所有的线程共享,在虚拟机启动时,我们指定的“Xmx”之类参数就是用来指定最大堆空间等指标。

理所当然,堆也是垃圾收集器重点照顾的区域,所以堆内空间还会被不同的垃圾收集器进行进一步的细分,最有名的就是新生代、老年代的划分。

第四,方法区(Method Area)。这也是所有线程共享的一块内存区域,用于存储所谓的元(Meta)数据,例如类结构信息,以及对应的运行时常量池、字段、方法代码等。

由于早期的 Hotspot JVM 实现,很多人习惯于将方法区称为永久代(Permanent Generation)。Oracle JDK 8 中将永久代移除,同时增加了元数据区(Metaspace)。

第五,运行时常量池(Run-Time Constant Pool),这是方法区的一部分。如果仔细分析过反编译的类文件结构,你能看到版本号、字段、方法、超类、接口等各种信息,还有一项信息就是常量池。Java 的常量池可以存放各种常量信息,不管是编译期生成的各种字面量,还是需要在运行时决定的符号引用,所以它比一般语言的符号表存储的信息更加宽泛。

第六,本地方法栈(Native Method Stack)。它和 Java 虚拟机栈是非常相似的,支持对本地方法的调用,也是每个线程都会创建一个。在 Oracle Hotspot JVM 中,本地方法栈和 Java 虚拟机栈是在同一块儿区域,这完全取决于技术实现的决定,并未在规范中强制。

考点分析

这是个 JVM 领域的基础题目,我给出的答案依据的是JVM 规范中运行时数据区定义,这也和大多数书籍和资料解读的角度类似。

JVM 内部的概念庞杂,对于初学者比较晦涩,我的建议是在工作之余,还是要去阅读经典书籍,比如我推荐过多次的《深入理解 Java 虚拟机》。

今天这一讲作为 Java 虚拟机内存管理的开篇,我会侧重于:

  • 分析广义上的 JVM 内存结构或者说 Java 进程内存结构。

  • 谈到 Java 内存模型,不可避免的要涉及 OutOfMemory(OOM)问题,那么在 Java 里面存在哪些种 OOM 的可能性,分别对应哪个内存区域的异常状况呢?

注意,具体 JVM 的内存结构,其实取决于其实现,不同厂商的 JVM,或者同一厂商发布的不同版本,都有可能存在一定差异。我在下面的分析中,还会介绍 Oracle Hotspot JVM 的部分设计变化。

知识扩展

首先,为了让你有个更加直观、清晰的印象,我画了一个简单的内存结构图,里面展示了我前面提到的堆、线程栈等区域,并从数量上说明了什么是线程私有,例如,程序计数器、Java 栈等,以及什么是 Java 进程唯一。另外,还额外划分出了直接内存等区域。

这张图反映了实际中 Java 进程内存占用,与规范中定义的 JVM 运行时数据区之间的差别,它可以看作是运行时数据区的一个超集。毕竟理论上的视角和现实中的视角是有区别的,规范侧重的是通用的、无差别的部分,而对于应用开发者来说,只要是 Java 进程在运行时会占用,都会影响到我们的工程实践。

我这里简要介绍两点区别:

  • 直接内存(Direct Memory)区域,它就是我在专栏第 12 讲中谈到的 Direct Buffer 所直接分配的内存,也是个容易出现问题的地方。尽管,在 JVM 工程师的眼中,并不认为它是 JVM 内部内存的一部分,也并未体现 JVM 内存模型中。

  • JVM 本身是个本地程序,还需要其他的内存去完成各种基本任务,比如,JIT Compiler 在运行时对热点方法进行编译,就会将编译后的方法储存在 Code Cache 里面;GC 等功能需要运行在本地线程之中,类似部分都需要占用内存空间。这些是实现 JVM JIT 等功能的需要,但规范中并不涉及。

如果深入到 JVM 的实现细节,你会发现一些结论似乎有些模棱两可,比如:

  • Java 对象是不是都创建在堆上的呢?

我注意到有一些观点,认为通过逃逸分析,JVM 会在栈上分配那些不会逃逸的对象,这在理论上是可行的,但是取决于 JVM 设计者的选择。据我所知,Oracle Hotspot JVM 中并未这么做,这一点在逃逸分析相关的文档里已经说明,所以可以明确所有的对象实例都是创建在堆上。

  • 目前很多书籍还是基于 JDK 7 以前的版本,JDK 已经发生了很大变化,Intern 字符串的缓存和静态变量曾经都被分配在永久代上,而永久代已经被元数据区取代。但是,Intern 字符串缓存和静态变量并不是被转移到元数据区,而是直接在堆上分配,所以这一点同样符合前面一点的结论:对象实例都是分配在堆上。

接下来,我们来看看什么是 OOM 问题,它可能在哪些内存区域发生?

首先,OOM 如果通俗点儿说,就是 JVM 内存不够用了,javadoc 中对OutOfMemoryError的解释是,没有空闲内存,并且垃圾收集器也无法提供更多内存。

这里面隐含着一层意思是,在抛出 OutOfMemoryError 之前,通常垃圾收集器会被触发,尽其所能去清理出空间,例如:

  • 我在专栏第 4 讲的引用机制分析中,已经提到了 JVM 会去尝试回收软引用指向的对象等。

  • java.nio.BIts.reserveMemory()方法中,我们能清楚的看到,System.gc() 会被调用,以清理空间,这也是为什么在大量使用 NIO 的 Direct Buffer 之类时,通常建议不要加下面的参数,毕竟是个最后的尝试,有可能避免一定的内存不足问题。

-XX:+DisableExplictGC

当然,也不是在任何情况下垃圾收集器都会被触发的,比如,我们去分配一个超大对象,类似一个超大数组超过堆的最大值,JVM 可以判断出垃圾收集并不能解决这个问题,所以直接抛出 OutOfMemoryError。

从我前面分析的数据区的角度,除了程序计数器,其他区域都有可能会因为可能的空间不足发生 OutOfMemoryError,简单总结如下:

  • 堆内存不足是最常见的 OOM 原因之一,抛出的错误信息是“java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space”,原因可能千奇百怪,例如,可能存在内存泄漏问题;也很有可能就是堆的大小不合理,比如我们要处理比较可观的数据量,但是没有显式指定 JVM 堆大小或者指定数值偏小;或者出现 JVM 处理引用不及时,导致堆积起来,内存无法释放等。

  • 而对于 Java 虚拟机栈和本地方法栈,这里要稍微复杂一点。如果我们写一段程序不断的进行递归调用,而且没有退出条件,就会导致不断地进行压栈。类似这种情况,JVM 实际会抛出 StackOverFlowError;当然,如果 JVM 试图去扩展栈空间的的时候失败,则会抛出 OutOfMemoryError。

  • 对于老版本的 Oracle JDK,因为永久代的大小是有限的,并且 JVM 对永久代垃圾回收(如,常量池回收、卸载不再需要的类型)非常不积极,所以当我们不断添加新类型的时候,永久代出现 OutOfMemoryError 也非常多见,尤其是在运行时存在大量动态类型生成的场合;类似 Intern 字符串缓存占用太多空间,也会导致 OOM 问题。对应的异常信息,会标记出来和永久代相关:“java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space”。

  • 随着元数据区的引入,方法区内存已经不再那么窘迫,所以相应的 OOM 有所改观,出现 OOM,异常信息则变成了:“java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace”。

  • 直接内存不足,也会导致 OOM,这个已经专栏第 11 讲介绍过。

今天是 JVM 内存部分的第一讲,算是我们先进行了热身准备,我介绍了主要的内存区域,以及在不同版本 Hotspot JVM 内部的变化,并且分析了各区域是否可能产生 OutOfMemoryError,以及 OOME 发生的典型情况。

一课一练

关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗?今天的思考题是,我在试图分配一个 100M bytes 大数组的时候发生了 OOME,但是 GC 日志显示,明明堆上还有远不止 100M 的空间,你觉得可能问题的原因是什么?想要弄清楚这个问题,还需要什么信息呢?

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