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自动内存管理机制

发布日期:2019-07-25 12:25 来源:和记h88 发布人:和记娱乐 点击:

  虚拟机遇到一条new指令时,首先检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有,那必须先执行相应的类加载过程。

  在类加载检查通过后,虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定,为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。假设Java堆中内存是绝对规整的,所有用过的内存都放在一边,空闲的内存放在另一边,中间放着一个指针作为分界点的器,那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离,这种分配方式称为“指针碰撞”(Bump the Pointer)。如果Java堆中的内存并不是规整的,已使用的内存和空闲的内存相互交错,那就没有办法简单地进行指针碰撞了,虚拟机就必须一个列表,记录上哪些内存块是可用的,在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例,并更新列表上的记录,这种分配方式称为“空闲列表”(Free List)。选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定,而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此,在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时,系统采用的分配算法是指针碰撞,而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时,通常采用空闲列表。

  除如何划分可用空间之外,还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中常频繁的行为,即使是仅仅修改一个指针所指向的,在并发情况下也并不是线程安全的,可能出现正在给对象A分配内存,指针还没来得及修改,对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种方案,一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式更新操作的原子性;另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行,即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存,称为本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。哪个线程要分配内存,就在哪个线程的TLAB上分配,只有TLAB用完并分配新的TLAB时,才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB,可以通过-:+/-UseTLAB参数来设定。

  内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头),如果使用TLAB,这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用,程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

  接下来,虚拟机要对对象进行必要的设置,例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头(Object Header)之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同,如是否启用偏向锁等,对象头会有不同的设置方式。

  在工作都完成之后,从虚拟机的视角来看,一个新的对象已经产生了,但从Java程序的视角来看,对象创建才刚刚开始——<init>方法还没有执行,所有的字段都还为零。所以,一般来说(由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定),执行new指令之后会接着执行<init>方法,把对象按照程序员的意愿进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

  对象的内存布局 在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。

  HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息,第一部分用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等,这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机(未压缩指针)中分别为32bit和64bit,称它为“Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多,其实已经超出了32位、64位Bitmap结构所能记录的限度,但是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本,考虑到虚拟机的空间效率,Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息,它会根据对象的状态复用自己的存储空间。

  对象头的另外一部分是类型指针,即对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针,换句话说,查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身,另外,如果对象是一个Java数组,那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据,因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小,但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

  实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的,还是在子类中定义的,都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数(FieldsAllocationStyle)和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers),从分配策略中可以看出,相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下,在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true(默认为true),那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

  第三部分对齐填充并不是必然存在的,也没有特别的含义,它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍,换句话说,就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数(1倍或者2倍),因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对齐填充来补全。

  对象的访问定位 建立对象是为了使用对象,我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体,所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

  如果使用句柄访问的话,那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息,

  如果使用直接指针访问,那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,而reference中存储的直接就是对象地址,

  使用句柄来访问 好处 是 reference中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动(垃圾收集时)时只会改变句柄中的实例数据指针,而reference本身不需要修改。

  OutOfMemoryError异常 在Java虚拟机规范的描述中,除了程序计数器外,虚拟机内存的其他几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError(OOM)异常的可能。

  Java堆溢出 Java堆用于存储对象实例,只要不断地创建对象,并且GC Roots到对象之间有可达径来避免垃圾回收机制清除这些对象,那么在对象数量到达最大堆的容量后就会产生内存溢出异常。

  如下代码Java堆的大小为20MB,不可扩展(将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为一样即可避免堆自动扩展),通过参数-:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析。

  要解决这个区域的异常,一般的手段是先通过内存映像分析工具 对Dump出来的堆转储快照进行分析,重点是确认内存中的对象是否是必要的,也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow)

  要解决这个区域的异常,一般的手段是先通过内存映像分析工具(如Eclipse Memory Analyzer)对Dump出来的堆转储快照进行分析,重点是确认内存中的对象是否是必要的,也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow)

  由于在HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈,因此,对于HotSpot来说,虽然-Xoss参数(设置本地方法栈大小)存在,但实际上是无效的,栈容量只由-Xss参数设定。关于虚拟机栈和本地方法栈,在Java虚拟机规范中描述了两种异常:

  如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度,将抛出StackOverflowError异常。 如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间,则抛出OutOfMemoryError异常。

  这里把异常分成两种情况,实际存在着一些互相重叠的地方:当栈空间无法继续分配时,到底是内存太小,还是已使用的栈空间太大,其本质上只是对同一件事情的两种描述而已。

  定义了大量的本地变量,增大此方法帧中本地变量表的长度。结果:抛出StackOverflowError异常时输出的堆栈深度相应缩小。

  实验结果表明:在单个线程下,无论是由于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StackOverflowError异常。

  如果测试时不限于单线程,通过不断地建立线程的方式倒是可以产生内存溢出异常。但是这样产生的内存溢出异常与栈空间是否足够大并不存在任何联系,或者准确地说,在这种情况下,为每个线程的栈分配的内存越大,反而越容易产生内存溢出异常。

  操作系统分配给每个进程的内存是有的,譬如32位的Windows为2GB。虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区的这两部分内存的最大值。剩余的内存为2GB(操作系统)减去Xmx(最大堆容量),再减去MaxPermSize(最大方法区容量),程序计数器消耗内存很小,可以忽略掉。如果虚拟机进程本身耗费的内存不计算在内,剩下的内存就由虚拟机栈和本地方法栈“瓜分”了。每个线程分配到的栈容量越大,可以建立的线程数量自然就越少,建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。

  这一点读者需要在开发多线程的应用时特别注意,出现StackOverflowError异常时有错误堆栈可以阅读,相对来说,比较容易找到问题的所在。而且,如果使用虚拟机默认参数,栈深度在大多数情况下(因为每个方法压入栈的帧大小并不是一样的,所以只能说在大多数情况下)达到1000~2000完全没有问题,对于正常的方法调用(包括递归),这个深度应该完全够用了。但是,如果是建立过多线程导致的内存溢出,在不能减少线程数或者更换64位虚拟机的情况下,就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。如果没有这方面的处理经验,这种通过“减少内存”的手段来解决内存溢出的方式会比较难以想到。

  方法区和运行时常量池溢出ern()是一个Native方法,它的作用是:如果字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串,则返回代表池中这个字符串的String对象;否则,将此String对象包含的字符串添加到常量池中,并且返回此String对象的引用。 在JDK 1.6及之前的版本中,由于常量池分配在永久代内,我们可以通过-:PermSize和-:MaxPermSize方法区大小,从而间接其中常量池的容量。

  从运行结果中可以看到,运行时常量池溢出,在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是“PermGen space”,说明运行时常量池属于方法区(HotSpot虚拟机中的永久代)的一部分。

  而使用JDK 1.7运行这段程序就不会得到相同的结果,while循环将一直进行下去。关于这个字符串常量池的实现问题,还可以引申出一个更有意思的影响。

  这段代码在JDK 1.6中运行,会得到两个lse,而在JDK 1.7中运行,会得到一个true和一个lse。产生差异的原因是:在JDK 1.6中,intern()方把首次遇到的字符串实例复制到永久代中,返回的也是永久代中这个字符串实例的引用,而由StringBuilder创建的字符串实例在Java堆上,所以必然不是同一个引用,将返回lse。而JDK 1.7(以及部分其他虚拟机,例如JRockit)的intern()实现不会再复制实例,只是在常量池中记录首次出现的实例引用,因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串实例是同一个。对str2比较返回lse是因为“java”这个字符串在执行StringBuilder.toString()之前已经出现过,字符串常量池中已经有它的引用了,不符合“首次出现”的原则,而“计算机软件”这个字符串则是首次出现的,因此返回true。

  方法区用于存放Class的相关信息,如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这些区域的测试,基本的思是运行时产生大量的类去填满方法区,直到溢出。虽然直接使用Java SE API也可以动态产生类(如反射时的GeneratedConstructorAccessor和动态代理等)。借助CGLib[1]直接操作字节码运行时生成了大量的动态类。

  这样的应用经常会出现在实际应用中:当前的很多主流框架,如Spring、Hibernate,在对类进行增强时,都会使用到CGLib这类字节码技术,增强的类越多,就需要越大的方法区来动态生成的Class可以加载入内存。另外,JVM上的动态语言(例如Groovy等)通常都会持续创建类来实现语言的动态性,随着这类语言的流行,也越来越容易遇到如下的溢出场景。

  方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常,一个类要被垃圾收集器回收掉,判定条件是比较苛刻的。在经常动态生成大量Class的应用中,需要特别注意类的回收状况。这类场景除了提到的程序使用了CGLib字节码增强和动态语言之外,常见的还有:大量JSP或动态产生JSP文件的应用(JSP第一次运行时需要编译为Java类)、基于OSGi的应用(即使是同一个类文件,被不同的加载器加载也会视为不同的类)等。

  本机直接内存溢出 DirectMemory容量可通过-:MaxDirectMemorySize指定,如果不指定,则默认与Java堆最大值(-Xmx指定)一样,下例越过了DirectByteBuffer类,直接通过反射获取Unsafe实例进行内存分配(Unsafe类的getUnsafe()方法了只有引导类加载器才会返回实例,也就是设计者希望只有rt.jar中的类才能使用Unsafe的功能)。因为,虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常,但它抛出异常时并没有真正向操作系统申请分配内存,而是通过计算得知内存无法分配,于是手动抛出异常,真正申请分配内存的方法是unsafe.allocateMemory()。

  由DirectMemory导致的内存溢出,一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见明显的异常,如果发现OOM之后Dump文件很小,而程序中又直接或间接使用了NIO,那就可以考虑检查一下是不是这方面的原因。

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