JVM内存模型

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Java

参考:

• The Java Memory Architecture (1. Act)
• Java Memory Configuration and Monitoring (3rd Act)
• Java OutOfMemoryError – A tragedy in seven acts
• Java (JVM) Memory Model – Memory Management in Java

背景知识

Method area & Heap

大体上看，JVM的内存空间可以划分为两类：

• 所有threads都可以访问的空间
• 只能由某个thread自己访问的空间

所有threads都可以访问的空间，可以分为两类：1) Method Area; 2) Heap ;

Class loader将加载一个class的字节码，并将其传递给JVM。Method area负责存储class相关的信息，包括以下数据区域：

• Runtime constant pool: Class中的数值型常量(int, long, float, double)，字符串常量，以及对本class的所有attributes、methods和types的引用
• Method code: 本class中所有方法的实现（例如构造函数）
• Attributes: 本class中所有attributes的列表
• Fields:

不必对Method area中的空间进行GC。

Heap管理着所有的class实例（对象）及数组，JVM标准要求必须有GC机制对heap中的对象进行回收。

Generations

Heap可以被划分为两种generations：young generation(new generation)
和 old generation(tenured generation)

而Method Area则被划分为另一种generation：permenant generation

Young generation 也可以被称为 new generation，它可以被进一步分为3个区域：Eden, Survivor Space I，以及 Survivor Space II。

当JVM创建一个对象时，它首先出现在 Eden，然后被移动至 Survivor I，然后再被移动至 Survivor II，最后被移动至 Old generation。

在 Minor GC 期间，JVM会将对象移动至young generation的各区域。
在GC时，如果old generation中没有足够的空间容纳对象，JVM会触发 Major GC 进程，这会对所有的Java App在性能上造成较大的负面影响。

我们可以告诉JVM应该将young generation和old generation的大小设置为多少字节，但是这只作为hint，真正的size仍然由JVM自己计算决定。参数 -XX:NewSize 可以设置young generation的初始大小，同时参数 -XX:NewRatio 可以设置 old generation 与 young generation 的size比例。例如，如果 -XX:NewRatio 设置为2，那么old generation的大小将是yound generation的大小的2倍。

Garbage Collecting

对象（objects）在heap中产生，且只要被引用，它们就是存活的（live）。在GC期间，gargabe collector会检查这些objects是否处于被引用的状态，如果不是的话，则会将其标记为“garbage”，并且随后清理这些objects。

Garbage Collector Roots

这是一类特殊的objects，它们不会被任何人引用，参考 GC roots。如果一个object本身不是GC root，也没有被GC root直接或间接引用，则它就将被garbage collector收集并清理。

有三类GC roos：

• temporary variables on the stack of a thread
• static members of a loaded class
• special native references from JNI

下面是一个例子

public class MyFrame extends javax.swing.JFrame {
  // reachable via Classloader as soon as this class is loaded
  public static final ArrayList STATIC = new ArrayList();
  // as long as the JFrame is not dispose()'d,
  // it is reachable via a native window
  private final ArrayList jni = new ArrayList()
  // while this method is executing
  // the parameter is kept reachable,
  // even if it is not used
  private void myMethod(ArrayList parameter) {
    // while this method is running, 
    // this list is reachable from the stack
    ArrayList local = new ArrayList();
  }
}

OutOfMemoryError

异常发生的区域

OutOfMemoryError 异常可以发生在任意内存区域。

1. 如果Garbage Collector无法为一个新的对象分配内存空间，就会抛出如下的异常 :
   Exception in thread "main": java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

2. 如果试图在heap中分配一个超过了total heap size的array，则会抛出以下异常:
   Exception in thread "main": java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

3. 如果method area没有足够的空间来创建一个新的class，则会抛出以下异常：
   Exception in thread "main": java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

OutOfMemoryError 也可以发生在哪些只能由某个thread访问的区域中:

1. 如果JVM中有了太多的methods，没有足够的空间来创建新的method，则会抛出以下异常：
   Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

2. 如果在native stack(JNI method call)中出现内存分配错误，则会抛出以下异常：
   Exception in thread "main": java.lang.OutOfMemoryError: (Native method)

3. 如果OS没有足够的内存（例如其他的进程用完了全部的内存，或者swap space设置得太小），则会抛出以下异常：
   Exception in thread "main": java.lang.OutOfMemoryError: request bytes for . Out of swap space?

异常发生的原因

通常，引发 OutOfMemeoryError 的case有3种:

• 内存泄露，存在可以被GC root引用的objects，但是app代码不再使用这些objects
• 存在过多的或者过大的objects，导致没有足够的heap space让app运行
• 存在太多的temporary objects，通常发生在类加载阶段

内存泄露

当某些objects拥有GC root reference，但是Java app的代码不会再使用到这些objects时，就称发生了memory leak，这些无用的objects我们不妨叫它们“loitering objects”，这些 loitering objects 会在JVM的整个生命周期中一直存在。如果Java app不断地产生loitering objects，那么内存空间最终将被耗尽，从而引发 OutOfMemoryError 。

例如，如果我们创建了 static collection，将其用作缓存。我们向该static collection中不断地加入objects（add/append/put），又从不删除这些objects（remove）。由于这些被加入的objects是被static collection引用的，因而它们是不能被GC清理的（因为：通过class loader，static collection拥有了GC root reference）。