Java自動記憶體管理機制學習（一）：Java記憶體區域與記憶體溢出異常

来源:https://www.cnblogs.com/Tom-shushu/archive/2018/06/09/9161764.html
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備註：本文引用自《深入理解Java虛擬機第二版》 2.1 運行時數據區域 Java虛擬機在執行Java程式的過程中把它所管理的記憶體劃分為若幹個不同的數據區域。這些區域都有各自的用途，以及創建和銷毀的時間，有的區域隨著虛擬機進程的啟動而存在，有些區域則依賴用戶線程的啟動和結束而建立和銷毀。如下圖所示： ...


備註：本文引用自《深入理解Java虛擬機第二版》

2.1 運行時數據區域

Java虛擬機在執行Java程式的過程中把它所管理的記憶體劃分為若幹個不同的數據區域。這些區域都有各自的用途，以及創建和銷毀的時間，有的區域隨著虛擬機進程的啟動而存在，有些區域則依賴用戶線程的啟動和結束而建立和銷毀。如下圖所示：

 

 

2.1.1 程式計數器

程式計數器是一塊較小的記憶體空間，它是線程的私有記憶體，可以看作時當前線程所執行的位元組碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現），位元組碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一個需要執行的位元組碼指令，分支，迴圈，跳轉，異常處理，線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。

由於Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來說是一個內核）都只會執行一條線程中的指令。因此，為了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程式計數器，各個線程之間計數器互不影響，獨立存儲，稱之為“線程私有”記憶體。

如果線程正在執行一個Java方法，這個計數器記錄的正是正在執行的虛擬機位元組碼指令的地址；如果線程正在執行一個Native方法，這個計數器則為空（Undefined）。此記憶體區域是唯一一個在Java虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

2.1.2 Java虛擬機棧

Java虛擬機棧是線程私有的。其描述的是Java方法執行的記憶體模型：每個方法在執行的同時都會創建一個棧幀（Java方法運行時的基礎數據結構），用於存儲局部變數表，操作數棧，動態鏈接，方法出口等信息。每一個方法從調用直至執行完成的過程，就對應一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。

局部變數表：存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolean，byte，char，short，int，float，long，double），對象引用（reference類型，它不等同於對象本身，可能是一個指向對象地址的引用指針，也可能是執行一個代表對象的句柄或其他與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條位元組碼指令的地址）。

註意：其中64位長度的long和double類型的數據會占用2個局部變數空間（Slot），其餘的數據類型只占用1個。局部變數表所需的記憶體空間在編譯期間完成分配，當進入一個方式時，這個方法需要在棧幀中分配多大的局部變數空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變數表的大小。

在Java虛擬機規範中，對Java虛擬機棧規定了兩種異常狀況：（1）如果線程請求的深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；（2）如果虛擬機棧可以動態擴展（當前大部分的Java虛擬機都可動態擴展，只不過Java虛擬機規範中也允許固定長度的虛擬機棧），如果擴展時無法申請到足夠的記憶體，就會拋出OutOfMemoryError異常。

2.1.3 本地方法棧

本地方法棧與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，它們之間的區別不過是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法棧則為虛擬機使用到的Native方法服務。在虛擬機規範中對本地方法棧中方法使用的語言，使用方式與數據結構並沒有強制規定，因此，具體的虛擬機可以自由實現它。甚至有的虛擬機（比如：Sun HotSpot虛擬機）直接把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

2.1.4 Java堆

對於大多數應用來說，Java堆是Java虛擬機所管理的記憶體中最大的一塊。被所有線程共用的一塊記憶體區域，在虛擬機啟動時創建。此記憶體區域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這裡分配記憶體。這一點在Java虛擬機規範中的描述是：所有對象實例以及數組都要在堆上分配，但是隨著JIT編譯器的發展與逃逸分析技術逐漸成熟，棧上分配，標量替換優化技術將會導致一些微妙的變化發生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那麼“絕對”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域。從記憶體回收的角度來看，由於現在收集器基本都採用分代收集演算法，所以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代，再細緻一點的有Eden空間，From Survivor空間，To Survivor空間等。從記憶體分配的角度來看，線程共用的Java堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩衝區。不過無論如何劃分，都與存放內容無關，無論哪個區域，存儲的都仍然是對象實例，進一步劃分的目的是為了更好地回收記憶體，或者更快地分配記憶體。

根據Java虛擬機規範的規定，Java堆可以處於物理上不連續的記憶體空間中，只要邏輯上是連續的即可。可以通過-Xmx和-Xms控制堆記憶體大小。如果在堆中沒有記憶體完成實例分配，並且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

 

2.1.5 方法區

方法區與Java堆一樣，是所有線程共用的記憶體區域，它用於存儲已被虛擬機載入的類信息，常量，靜態變數，即時編譯器編譯後的代碼等數據。

對於習慣在HotSpot虛擬機上開發，部署程式的開發者來說，很多人願意把方法區稱為“永久代”，本質上兩者並不等價，僅僅是因為HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代技術擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已，這樣HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一樣管理這部分記憶體，能夠省去專門為方法區編寫記憶體管理代碼的工作。對於其他虛擬機（如：BEA JRockit，IBM J9等）來說是不存在永久代的概念的。原則上，如何實現方法區屬於虛擬機實現細節，不受虛擬機規範約束，但使用永久代來實現方法區，現在看來並不是一個好主意，因為這樣更容易遇到記憶體溢出問題（永久代有-XX:MaxPermSize的上線，J9和JRockit只要沒有觸及到可用記憶體的上限，例如32位系統中的4GB，就不會出現問題），而且有極少數方法（例如String.intern()）會因這個原因導致不用虛擬機下有不同的表現。因此，對於HotSpot虛擬機，根據官方發佈的路線圖信息，現在也有放棄永久代逐步改為採用Native Memory來實現方法區的規划了，在目前已經發佈的JDK 1.7的HotSpot中，已經把原本放在永久代的字元串常量池移出。

Java虛擬機規範對方法區的限制非常寬鬆，除了和Java堆一樣不需要連續的記憶體和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，但並非數據進入了方法區就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這區域的記憶體回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載。

根據Java虛擬機規範的規定，當方法區無法滿足記憶體分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

2.1.6 運行時常量池

運行時常量池是方法區的一部分。Class文件中除了有類的版本，欄位，方法，介面等描述信息外，還有一項信息是常量池，用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類載入後進入方法區的運行時常量池中存放。

Java虛擬機對Class文件每一部分的格式都有嚴格規定，每一個位元組用於存儲哪種數據都必須符合規範上的要求才會被虛擬機認可，裝載和運行，但對於運行時常量池，Java虛擬機規範沒有做任何細節的要求，不同的提供商實現的虛擬機可以按照自己的需要來實現這個記憶體區域。不過，一般來說，除了保存Class文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運行時常量池中。

運行時常量池相對於Class文件常量池的另外一個重要特征是具備動態性，Java語言並不要求常量一定只有編譯器才能產生，也就是並非預置入Class文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用的比較多的便是String類的intern()方法。

既然運行時常量池是方法區的一部分，自然受到方法區記憶體的限制，當常量無法再申請到記憶體時會拋出OutOfMemoryError異常。

2.1.7 直接記憶體

直接記憶體（Direct Memory）並不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java虛擬機規範中定義的記憶體區域。但是這部分記憶體也被頻繁地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。

在JDK 1.4中引入了NIO類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝區（Buffer）的IO方式，它可以使用Native函數庫直接分配堆外記憶體，然後通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊記憶體的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回覆制數據。本機直接記憶體的分配不會受到Java堆大小的限制，但是，既然是記憶體，肯定還是受到本機總記憶體大小及處理器定址空間的限制。

總結：

 

2.2 HotSpot虛擬機對象探秘

2.2.1 對象的創建

Java是一門面向對象的編程語言，在Java程式運行過程中無時無刻都有對象被創建出來。在語言層面上，創建對象（例如：克隆，反序列化）通常僅僅是一個new關鍵字而已，而在虛擬機中，對象（文中討論的對象限於普通Java對象，不包括數據和Class對象等）的創建又是怎樣一個過程呢？

虛擬機遇到一條new指令時，首先將去檢查這個指令的參數是否能在常量池中定位到一個類的符號引用，並且檢查這個符號引用代表的類是否已被載入，解析和初始化過。如果沒有，那必須先執行相應的類載入過程。

在類載入檢查通過後，接下來虛擬機將為新生對象分配記憶體。對象所需記憶體的大小在類載入完成後便可完全確定，為對象分配空間的任務等同於把一塊確定大小的記憶體從Java對中劃分出來。假設Java堆中記憶體是絕對規整的，所有用過的記憶體都放在一邊，空閑的記憶體放在另一邊，中間放著一個指針作為分界點的指示器，那所分配記憶體就僅僅是把那個指針向空閑空間那邊挪動一段與對象大小相等的距離，這種分配方式稱為“指針碰撞”。如果Java堆中的記憶體並不是規整的，已使用的記憶體和空閑的記憶體相互交錯，那就沒有辦法簡單地進行指針碰撞了，虛擬機就必須維護一個列表，記錄上哪些記憶體塊是可用的，在分配的時候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對象實例，並更新列表上的記錄，這種分配方式稱為“分配列表”。選擇哪種分配方式是由Java堆是否規整決定，而Java堆是否規整又由採用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。因此，在使用Serial，ParNew等帶Compact過程的收集器時，採用的分配演算法是指針碰撞，而使用CMS這種基於Mark-Sweep演算法的收集器時，通常採用空閑列表。

除如何劃分可用空間之外，還有另外一個需要考慮的問題是對象創建在虛擬機中是非常頻繁的行為，即使是僅僅修改一個指針所指向的位置，在併發情況下也並不是線程安全的，可能出現正在給對象A分配記憶體，指針還沒來得及修改，對象B又同時使用了原來的指針來分配記憶體的情況。解決這個問題有兩種方案，一種是對分配記憶體空間的動作進行同步處理——實際上虛擬機採用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性；另一種是把記憶體分配的動作按照線程劃分在不同的空間之中進行，即每個線程在Java堆中預先分配一小塊記憶體，稱為本地線程分配緩衝（TLAB）。哪個線程要分配記憶體，就在哪個線程的TLAB上分配，只有TLAB用完並分配新的TLAB時，才需要同步鎖定。虛擬機是否使用TLAB，可以通過-XX:+/-UseTLAB參數來設定。

記憶體分配完成後，虛擬機需要將分配到的記憶體空間都初始化為零值（不包括對象頭），如果使用TLAB，這一工作過程也可以提前至TLAB分配時進行。這一步操作保證了對象的實例欄位在Java代碼中可以不賦初始值就直接使用，程式能訪問到這些欄位的數據類型所對應的零值。

接下來，虛擬機要對對象進行必要的設置，例如這個對象是哪個類的實例，如何才能找到類的元數據信息，對象的哈希碼，對象的GC分代年齡等信息。這些信息存放在對象的對象頭（Object Header）中。根據虛擬機當前的運行狀態的不同，如是否啟用偏向鎖等，對象頭會有不同的設置方式。

在上面工作都完成之後，從虛擬機的視角來看，一個新的對象已經產生了，但從Java程式的視角來看，對象創建才剛剛開始——<init>方法還沒有執行，所有的欄位都還為零。所以，一般來說（由位元組碼中是否跟隨invokespecial指令所決定），執行new指令之後會接著執行<init>方法，把對象按照程式員的意願進行初始化，這樣一個真正可用的對象才算完全產生出來。

2.2.2 對象的記憶體佈局

在HotSpot虛擬機中，對象在記憶體中存儲的佈局可以分為3塊區域：對象頭（Header），實例數據（Instance Data）和對齊補充（Padding）。

HotSpot虛擬機的對象頭包括兩部分信息，第一部分用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼（HashCode），GC分代年齡，鎖狀態標誌，線程持有的鎖，偏向線程ID，偏向時間戳等，這部分數據的長度在32位和64位的虛擬機（未開啟壓縮指針）中分別為32bit和64bit，官方稱它為“Mark Word”。對象需要存儲的運行時數據很多，其實已經超出了32位，64位Bitmap結構所能記錄的限度，但是對象頭信息是與對象自身定義的數據無關的額外存儲成本，考慮到虛擬機的空間效率，Mark Word被設計成一個非固定的數據結構以便在極小的空間記憶體儲儘量多的信息，它會根據對象的狀態復用自己的存儲空間。例如：

在32位的HotSpot虛擬機中，如果對象處於未被鎖定的狀態下，那麼Mark Word的32bit空間中的25bit用於存儲對象哈希碼，4bit用於存儲對象分代年齡，2bit用於存儲鎖標誌位，1bit固定為0，與在其他狀態下（輕量級鎖定，重量級鎖定，GC標記，可偏向）下對象的存儲內容不同。

對象頭的另外一部分是類型指針，即對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。並不是所有虛擬機實現都必須在對象數據上保留類型指針，換句話說，查找對象的元數據信息並不一定要經過對象本身。另外，如果對象是一個Java數組，那在對象頭中還必須有一塊用於記錄數組長度的數據，因為虛擬機可以通過普通Java對象的元數據信息確定Java對象的大小，但是從數組的元數據中卻無法確定數組的大小。

接下來的實例數據部分是對象真正存儲的有效信息，也是在程式代碼中所定義的各種類型的欄位記憶體。無論是從父類繼承下來的，還是在子類中定義的，都需要記錄起來。這部分的存儲順序會受到虛擬機分配策略參數（FiledsAllocationStyle）和欄位在Java源碼中定義順序的影響。HotSpot虛擬機預設的分配策略為longs/doubles，ints，shorts/chars，bytes/booleans，oops（Ordinary Object Pointers），從分配策略中可以看出，相同寬度的欄位總是被分配到一起。在滿足這個前提條件的情況下，在父類中定義的變數會出現在子類之前。如果CompactFields參數值為true（預設為true），那麼子類之中較窄的變數也可能會插入到父類變數的空隙之中。

第三部分對齊填充並不是必然存在的，也沒有特別的含義，它僅僅起著占位符的作用。由於HotSpot VM的自動記憶體管理系統要求對象起始地址必須是8位元組的整數倍，換句話說，就是對象的大小必須是8位元組的整數倍。而對象頭部分正好是8位元組的倍數（1倍或者2倍）。因此，當對象實例數據部分沒有對齊時，就需要通過對齊填充來補全。

2.2.3 對象的訪問定位

建立了對象是為了使用對象，我們的Java程式需要通過棧上的reference數據來操作堆上的具體對象。由於reference類型在Java虛擬機規範中只規定了一個指向對象的引用，並沒有定義這個引用應該通過何種方式去定位，訪問堆中的對象的具體位置，所以對象訪問方式也是取決於虛擬機實現而定的。目前主流的方式有使用句柄和直接指針兩種。

如果使用句柄訪問的話，那麼Java堆中將會劃分出一塊記憶體來作為句柄池，reference中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數據與類型數據各自的具體地址信息。 

 


 

如果使用直接指針訪問，那麼Java堆對象的佈局中就必須考慮如何放置訪問類型數據的相關信息，而reference中存儲的直接就是對象地址。

這兩種對象訪問方式各有優勢，使用句柄來訪問的最大好處就是reference中存儲的是穩定的句柄地址，在對象被移動（垃圾收集時移動對象是非常普遍的行為）時只會改變句柄中的實例數據指針，而reference本身不需要修改。

使用直接指針訪問方式的最大好處就是速度更快，它節省了一次指針定位的時間開銷，由於對象的訪問在Java中非常頻繁，因此這類開銷積少成多後也是一項非常可觀的執行成本。Sun HotSpot虛擬機使用的是第二種方式進行對象訪問的，但從整個軟體開發的範圍來看，各種語言和框架使用句柄來訪問的情況也十分常見。

2.3 實戰OutOfMemoryError異常

2.3.1 Java堆溢出

Java堆用於存儲對象實例，只要不斷地創建對象，並且保證GC Roots到對象之間有可達路徑避免垃圾回收機制清除這些對象，那麼在對象數量到達最大堆的容量限制後就會產生記憶體溢出異常。

package com.king.oom;

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

/**
 * VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 */
public class HeapOOM {

    static class OOMObject {}

    public static void main(String [] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

運行結果：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space Dumping heap to java_pid20404.hprof ... Heap dump file created [27642578 bytes in 0.133 secs] Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2245) at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2219) at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:242) at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:216) at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:208) at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:440) at com.king.oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:16) at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method) at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57) at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43) at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606) at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:134)

要解決這個區域的異常，一般的手段是先通過記憶體映像分析工具對Dump出來的堆轉儲快照進行分析，重點是確認記憶體中的對象是否是必要的，也就是要先分清楚到底是出現了記憶體泄露（Memory Leak）還是記憶體溢出（Memory Overflow）。

如果是記憶體泄露，可進一步通過工具查看泄露對象到GC Roots的引用鏈。於是就能找到泄露對象是通過怎樣的路徑與GC Roots相關聯並導致垃圾收集器無法自動回收它們的。

如果是記憶體溢出，換句話說，就是記憶體中的對象確實都還必須存活著，那就應當檢查虛擬機的參數（-Xmx與-Xms），與機器物理記憶體對比看是否還可以調大，從代碼上檢查是否存在某些對象生命周期過長，持有狀態時間過長的情況，嘗試減少程式運行期間的記憶體消耗。

2.3.2 虛擬機棧和本地方法棧溢出

由於HotSpot虛擬機中並不區分虛擬機棧和本地方法棧，因此，對於HotSpot來說，雖然-Xoss參數（設置本地方法棧大小）存在，但實際上是無效的，棧容量只由-Xss參數設定。關於虛擬機棧和本地方法棧，在Java虛擬機規範中描述了兩種異常：

  1. 如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的最大深度，將拋出StackOverflowError異常。
  2. 如果虛擬機在擴展棧時無法申請到足夠的記憶體空間，則拋出OutOfMemoryError異常。

這裡把異常分成兩種情況，看似更加嚴謹，但卻存在著一些互相重疊的地方：當棧空間無法繼續分配時，到底是記憶體太小，還是已使用的棧空間太大，其本質上只是對同一件事情的兩種描述而已。

package com.king.oom;

/**
 * VM Args: -Xss228k
 */
public class JavaVMStackSOF {

    private int stackLength = 1;

    public void stackLeak() {
        System.out.println(stackLength ++);
        stackLeak();
    }

    public static void main(String [] args) {
        JavaVMStackSOF sof = new JavaVMStackSOF();
        sof.stackLeak();
    }
}

... 1474 1475 1476 1477 1478 Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError at java.nio.Buffer.limit(Buffer.java:266) at java.nio.Buffer.<init>(Buffer.java:193) at java.nio.CharBuffer.<init>(CharBuffer.java:276) at java.nio.HeapCharBuffer.<init>(HeapCharBuffer.java:70) at java.nio.CharBuffer.wrap(CharBuffer.java:369) at sun.nio.cs.StreamEncoder.implWrite(StreamEncoder.java:265) at sun.nio.cs.StreamEncoder.write(StreamEncoder.java:125) ...

實驗結果證明：在單個線程下，無論是由於棧幀太大還是虛擬機容量太小，當記憶體無法分配的時候，虛擬機拋出的都是StackOverflowError異常。如果測試不限於單線程，通過不斷地建立線程的方式倒是可以產生記憶體溢出異常，但是這樣的記憶體溢出異常與棧空間是否足夠大並不存在任何聯繫，或者準確的說，在這種情況下，為每個線程的棧分配記憶體越大，反而越容易產生記憶體溢出異常。

其實原因不難理解，操作系統分配給每個進程的記憶體是有限制的，比如：32位的Windows限製為2GB，虛擬機提供了參數來控制Java堆和方法區的這兩部分記憶體的最大值（-Xmx：最大堆容量；-XX:MaxPermSize：最大方法區容量；）。如果虛擬機進程本身耗費的記憶體不計算在內，剩下的記憶體就由虛擬機棧和本地方法棧“瓜分”了。每個線程分配到的棧容量越大，可以建立的線程數量自然就越少，建立線程時就越容易把剩下的記憶體耗盡。

如果使用虛擬機預設參數，棧深度在大多數情況下（因為每個方法壓入棧的棧幀大小並不是一樣的，所以只能說在大多數情況下）達到1000~2000完全沒問題，對於正常的方法調用（包括遞歸），這個深度應該完全夠用了。但是，如果是建立過多線程導致的記憶體溢出，在不能減少線程數或者更換64位虛擬機的情況下，就只能通過減少最大堆，減少棧容量和減少最大方法區容量來換取更多的線程。

package com.king.oom;

/**
 * VM Args:-Xss2M
 */
public class JavaVMStackOOM {

    private void dontStop() {
        while (true);
    }

    public void stackLeakByThread() {
        while (true) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            }).start();
        }
    }

    public static void main(String [] args) {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}

2.3.3 方法區和運行時常量池溢出

String.intern()是一個Native方法，它的作用是：如果字元串常量池中已經包含一個等於此String對象的字元串，則返回代表池中這個字元串的String對象；否則，將此String對象包含的字元串添加到常量池中，並且返回此String對象的引用。在JDK 1.6及之前的版本中，由於常量池分配在永久代內，可以通過-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法區大小，從而間接限制常量池的容量。

package com.king.oom;

import java.util.List;

import com.google.common.collect.Lists;

/**
 * VM Args:-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String [] args) {
        // 使用List保持著常量池引用 避免Full GC回收常量池行為
        List<String> list = Lists.newArrayList();
        // 10MB的PermSize在integer範圍內足夠產生OOM了
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

在JDK1.6下，運行時常量池溢出，在OutOfMemoryError後面跟隨的提示信息是“PermGen space”，說明運行時常量池屬於方法區（HotSpot虛擬機中的永久代）的一部分。而使用JDK1.7運行程式就不會得到相同的結果，while迴圈將一直進行下去。

package com.king.oom;

import java.util.List;

import com.google.common.collect.Lists;

/**
 * VM Args:-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String [] args) {

        String str1 = new StringBuilder("電腦").append("軟體").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);

        String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }
}

以上代碼在JDK 1.6中，會得到兩個false，而在JDK 1.7中運行，會得到一個true和一個false。產生差異的原因：在JDK 1.6中，intern()方法會把首次遇到的字元串實例複製到永久代中，返回的也是永久代中這個字元串實例的引用，而由StringBuilder創建的字元串實例在Java堆上，所以必然不是同一個引用，將返回false。而在JDK 1.7的intern()實現不會再複製實例，只是在常量池中記錄首次出現的實例引用，因此intern()返回的引用和由StringBuilder創建的那個字元串實例是同一個。對str2比較返回false是因為“java”這個字元串在執行StringBuilder.toString()之前已經出現過，字元串常量池中已經有它的引用了，不符合“首次出現”的原則，而“電腦軟體”這個字元串則是首次出現，因此返回true。

方法區用於存放Class的相關信息，如類名，訪問修飾符，常量池，欄位描述，方法描述等。對於這些區域的測試，基本的思路是運行時產生大量的類去填滿方法區，直到溢出。下麵通過CGLIB實現方法區溢出：


package com.king.oom;

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

import java.lang.reflect.Method;

/**
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class JavaMethodAreaOOM {
    public static void main(String [] args) {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                @Override
                public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
                    return proxy.invoke(obj, args);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }

    static class OOMObject {}
}

方法區溢出也是一種常見的記憶體溢出異常，一個類要被垃圾收集器回收掉，判定條件是比較苛刻的。在經常動態生成大量Class的應用中，需要特別註意類的回收狀況。這類場景除了上面提到的程式使用了CGLIB位元組碼增強和動態語言之外，常見的還有：大量JSP或動態產生JSP文件的應用（JSP第一次運行時需要編譯為Java類），基於OSGI的應用（即使是同一個類文件，被不同的類載入器載入也會被視為不同的類）等。

2.3.4 本機直接記憶體溢出

DirectMemory容量可以通過-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，則預設與Java堆最大值（-Xmx指定）一樣。下麵代碼越過了DirectByteBuffer類，直接通過反射獲取Unsafe實例進行記憶體分配（Unsafe類的getUnsafe()方法限制了只有引導類載入器才會返回實例，也就是只有rt.jar中的類才能使用Unsafe的功能）。因此，雖然使用DirectByteBuffer分配記憶體也會拋出記憶體溢出異常，但它拋出異常時並沒有真正向操作系統申請分配記憶體，而是通過計算的值記憶體無法分配，於是手動拋出異常，真正申請分配記憶體的方法是unsafe.allocateMemory()。

package com.king.oom;

import java.lang.reflect.Field;

import sun.misc.Unsafe;

/**
 * VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 */
public class DirectMemoryOOM {

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    public static void main(String [] args) throws IllegalAccessException {
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeField.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
        while (true) {
            unsafe.allocateMemory(_1MB);
        }
    }
}

由DirectMemory導致的記憶體溢出，一個明顯特征是在Heap Dump文件中不會看見明顯的異常。如果發現OOM之後Dump文件很小，而程式中有直接或間接使用了NIO，可以考慮這個原因。


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