JVM相关概念和异常类型

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概述

• 基本类型、对象的引用在栈内存中操作，
• 对象类型在堆内存中操作，
• 特点：栈容量小，速度快；堆是容量大，速度慢

内存区域分为六块(jvm所管理的内存)

方法区 & 永久代 (method area & PermGen ):

• 线程共享,用于储存已被虚拟机加载的类信息,常量,静态变量,及时编译期编译后的代码等数据
• 规范中将其描述为堆的一个逻辑部分,英文名NOn-heap ,与java heap区分开来
• 不规范别名(permanent gerneration)"永久代",除hotspot虚拟机外没有这个概念
• 和java heap一样不需要连续的内存及可以选择固定大小或扩展,还可以选择不进行垃圾收集

• 但垃圾收集效果难以令人满意:针对常量池的回收以及类的卸载(十分苛刻)

堆(Heap):

• jvm管理的内存最大的一块,被所有线程共享,启动时创建
• 目的:存放对象实例,所有实例对象和数组在这里分配内存
• 随着JIT编译期的发展和逃逸分析技术的成熟.所有对象都分配在堆上已经不是那么"绝对"了,(不懂)
• 该区域是垃圾收集器的主要管理区域,所以也称为GC堆
• 既可以是固定大小,也可以是扩展的,一般都是扩展(-Xms -Xmx)
• heap可分为young heap & old heap
• Young区保存绝大多数刚实例化的对象，当该区被填满时，触发局部GC，局部GC会将Young+区清空，仍被引用的对象将被移到Old区。

• 当Old区再被塞满，就会触发FullGC，回收最后能回收的空间

虚拟机栈(VM stack):

• 线程私有;为执行java方法服务，java方法执行的内存模型,每个方法被执行时候同时创建一个Stack frame,
• 用于储存局部变量表,操作数栈 ; 动态链接,方法出口等信息,方法被执行完结对应入栈出栈
• 局部变量表:用于储存基本数据类型,对象引用(不等同于对象本身,可能是指向对象的引用指针)reference和returnAddress类型
• 64位的long和double会占据2个局部变量空间,其余数据类型只占用一个

• 局部变量表的内存空间在编译期就已经分配完成

本地方法栈(native method stack):

• 发挥的作用与jvm stack相同,但是为虚拟机使用到的Native方法服务,hotspot虚拟机将两个合而为一

程序计数器(program counter register):

• 当前线程 所执行的字节码的 行号指示器,线程私有内存,互不影响,独立储存

运行时常量池：

• 是方法区 & 永久代的一部分；具备动态性，不要求常量一定只有编译器才能产生

对象的访问定位

java程序通过栈上的reference数据操作 堆上的 具体对象

虚拟机栈中reference数据称为引用
reference类型的数据中储存的数值代表的是另外一块内存的起始地址，就称这块内存是代表着引用
除了 被引用和不被引用两种状态 ；JDK1.2之后引入了四种新的概念：强引用、软引用、弱引用、虚引用

主流的方式有两种，直接指针和使用句柄

• 直接指针: java堆中划出一块内存作为句柄池，reference保存句柄地址；句柄中保存了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。优点是reference中储存的是稳定的句柄地址

• 访问句柄: reference中保存着对象的具体地址。优点是快速。

方法区 & 永久代：

主要存放类信息，通过CGLib动态构造类会造成OOM异常，比如jsp的构造

判断对象死活

引用计数法

每当有一个地方引用+1 ，计数器为0说明没有对象引用它 ， 存在两个无用对象相互引用的情况

可达性分析算法

主流方式；以GC Roots对象为起点，根据是否有引用链可达判断；哪些可以称为引用链：

• 虚拟机栈中引用的对象
• 本地方法栈中 引用的对象
• 方法区 & 永久代中 类静态属性引用的对象
• 方法区 & 永久代中 常量引用的对象

PS:对象如何在被标记回收的时候逃脱： 覆写finalize方法，将this赋值给某个类变量或者对象的成员变量

垃圾收集算法

• 标记-清除算法：标记出所有需要回收的对象，然后统一回收 ； 缺点：效率和碎片空间多
• 复制算法：将可用内存分为大小相等的两块，一块内存用完了之后，将存活的对象复制到另一块上，对原来的内存全部清理 ； 优点：高效，少空间碎片 ； 缺点：内存缩小了一半
• 标记-整理算法：标记存活的对象往一端移动，然后将边界外的内存回收
• 分代-收集算法：商业虚拟机主流算法，将java堆分成新生代和老年代，然后用不同的收集算法，新生代用复制算法，老年代标记整理就好

异常时定位 哪些区域异常

内存泄露 (Memory Leaking):

指某些对象不再被应用程序使用，而垃圾收集器（Garbage Collector）却没能识别它们是“不再使用的”。如果那些不使用的对象占用堆（heap）空间足够大，使得应用程序无法满足下一次内存分配需求，就会导致OutOfMemoryError错误

内存溢出 (OutOfMemory):

内存不够用了，原因有几种，内存泄露只是其中一种。

堆区域异常

一般是 OutOfMemoryError :先确定是内存溢出还是内存泄露(垃圾回收处理机制)
内存泄露：通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链，找到无法回收的原因
内存溢出：调到物理内存，判断是否对象生命周期过长

StackOverflowError:

线程请求的栈深度大于虚拟机栈所允许的最大深度；单线程的时候，无论是栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是这个异常

OutOfMemoryError: PermGen space:

• JVM需要加载一个新类的定义，而永久代（PermGen）的空间不足——已经有太多的类存储在那里了。一个可能的原因是：你的应用程序或服务器使用了太多的类，当前的永久代（PermGen）大小无法满足需求。
• 可能是内存泄漏（堆无法分配空间）
• 虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的空间
• 多线程导致的内存溢出，在不能减少线程数和更换64位虚拟机的情况下(windows对每个进程分配的内存是有限制的，32位的为2G)，只能通过减小最大堆和减小栈容量来换取更多的线程

Permanent Generation Leak - 永久代（PermGen）到底有没有可能会内存泄漏？

它保存了Java类定义，并且这些类定义是不会变成“无用”的，是吗？事实上，它们是可以变成“无用”的。以一个部署到应用程序服务器的Java web程序来说，当该应用程序被卸载的时候，你的EAR/WAR包中的所有类都将变得无用。只要应用程序服务器还活着，JVM将继续运行，但是一大堆的类定义将不再使用，理应将它们从永久代（PermGen）中移除。如果不移除的话，我们在永久代（PermGen）区域就会有内存泄漏。

Leaking Threads - 线程内存泄漏

类加载器（classloader）泄漏的一个可能的场景就是通过运行的线程（而内存泄漏）。当你的程序，或者你的程序使用的第三方库（我经常遇到这种情况,比如Quartz）开启了一些长时间运行的线程。一个例子：一个用于周期性执行代码的计时器（timer）线程。

如果不解决该线程预期的生命周期问题，我们直接会遇到麻烦。当你程序的任何一部分启动一个线程的时候，你要确保它不会比程序活得还要久。在典型的情况下，开发者要么不知道自己有责任处理好这个问题，或者忘了写清理（clean-up）的代码。

否则，如果应用程序卸载后，线程还在继续运行，它通常将维持一个到web应用程序的classloader的引用，即我们所说的contextclassloader。这也就意味着，所有卸载掉的应用程序仍然保存在内存中。怎么解决？如果是你的程序开启了新线程，那么你就应该在卸载的时候关闭它们，这可以通过使用一个servlet context listener来实现。如果是第三方库开启的新线程，你应该搜索它的关闭线程的接口，如果没有的话，就上报一个bug吧。

Leaking Drivers - 驱动内存泄漏

另一个典型的内存泄漏原因是由数据库驱动造成的。我们在和Plumbr一起发布的demo程序中遇到了这种内存泄漏情况。它是一个与Sprint MVC一起发布的、代码稍微修改过的Pet Clinic程序。让我们关注一下当这个应用程序部署到服务器上的时候，发生了什么：

• The server creates a new instance of java.lang.Classloader and starts to load the application’s classes using it.
• 服务器创建一个java.lang.Classloader的新实例，并用它来加载程序的类。
• Since the PetClinic uses a HSQL database, it loads the corresponding JDBC driver,org.hsqldb.jdbcDriver
• 由于PetClinic使用了HSQL数据库，所以它会加载相应的JDBC驱动，即org.hsqldb.jdbcDriver
• This class, being a good-mannered JDBC driver, registers itself with java.sql.DriverManager during initialization, as required per JDBC specification. This registration includes storing inside a static field of DriverManager a reference to an instance of org.hsqldb.jdbcDriver.
• 这个JDBC驱动类会在初始化的时候将它注册到java.sql.DriverManager中（正如JDBC规范所要求的那样）。这个注册过程包括了存储org.hsqldb.jdbcDriver的一个实例的引用到DriverManager的一个静态域中

现在，当从服务器上卸载应用程序的时候，java.sql.DriverManager仍将持有那个引用，无论在HSQLDB库，或者在Spring framework中，都没有代码可以移除它！正如上面解释的那样，一个jdbcDriver对象将持有一个到org.hsqldb.jdbcDriver类的引用，从而持有用于加载应用程序的java.lang.Classloader的一个实例的引用。这个classloader现在仍然引用着应用程序的所有类。在我们那特殊的demo应用程序中，在程序启动的时候，需要加载将近2000个类，占用约10MB永久代（PermGen）内存。这就意味着需要5~10次重新部署，才会将默认大小的永久代（PermGen）塞满，然后就会触发java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space错误并崩溃。

怎样解决此问题？一个可能的办法就是写一个servlet content listener，用于在应用程序关闭的时候，从DriverManager反注册HSQLDB驱动。这个方法很直接，但是请记住——你需要在使用该驱动的每一个应用程序中都这么写。

Conclusion

你的应用程序遇到java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space错误的原因很多，究其根本原因，大多数是由于object或程序的class loader加载的类的引用已经无用了导致的。对此类问题，你需要采取的补救措施都非常相似，即，首先，找出引用在哪里被持有；其次，给你的web应用程序添加一个关闭的hook，或者在应用程序卸载后移除引用。你要么通过servlet context listener，要么通过第三方库提供的API来实现这一点。

扩展:直接内存:本机直接内存

非jvm运行时数据区;新加入了的NIO类,引入了"Channel"与"Buffer"的I/O方式

通过本地函数库分配一个堆外内存,然后通过java堆的的对象实例buffer作为这块内存的引用进行操作,因为避免了再java heap and native heap之间

进行复制操作,显著的提高性能,当对于jvm的各个内存总和大于直接内存会报错

句柄:简而言之数据的地址需要变动，变动以后就需要有人来记录管理变动，（就好像户籍管理一样），因此系统用句柄来记载数据地址的变更

参考网站

Presenting the Permanent Generation

[[原创]（翻译）什么是Java的永久代（PermGen）内存泄漏](http://ju.outofmemory.cn/entr...