Java方法區和運行時常量池溢出問題分析

　　運行時常量池是方法區的一部分，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。

　　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了一個等於此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，並返回此String對象的引用。在JDK1.6及之前版本中，由於常量池分配在永久代中(即方法區)，我們可以通過-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法區大小，從而間接限制其中常量池的容量，註意，JDK1.7開始逐步開始“去永久代”。代碼如下所示：

package jvm;

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

/*
 * 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 = new ArrayList<String>();
        
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

　　註意，VM Args為配置VM的參數，在下圖所示中配置：

運行結果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.String.intern(Native Method)
    at jvm.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:16)

　　從運行結果中可以看到，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。但是使用JDK1.7運行這段程式不會得到相同的結果，而是出現以下的提示信息，這是因為這兩個參數已經不在JDK1.7中使用了。

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10m; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10m; support was removed in 8.0

　　如果在JDK1.7中運行RuntimeConstantPoolOOM.java程式，while迴圈將一直運行下去，但是，while迴圈並不是始終運行下去，直到系統中堆記憶體用完為止，一般需要過好長時間才會出現，不過筆者並沒有在本地測試。因為在JDK1.7中常量池存儲的不再是對象，而是對象引用，真正的對象是存儲在堆中的。把RuntimeConstantPoolOOM.java運行時的VM參數改為如下所示：

-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

運行程式後結果：

　　出現異常提示信息：java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded，這裡沒有提示說堆還是持久代有問題，虛擬機只是告訴你你的程式花在垃圾回收上的時間太多了，卻沒有什麼見效。預設的話，如果你98%的時間都花在GC上並且回收了才不到2%的空間的話，虛擬機才會拋這個異常。這是一個快速失敗的安全保障的很好的實踐。從運行結果中可以看出， 我們限定了堆的大小後，程式很快就運行異常了，異常信息和之前設想的一樣，也就是常量池存儲的不再是對象，而是對象引用，真正的對象是存儲在堆中的。關於JDK1.7字元串常量池的實現問題，這裡還可以引申一個更有意義的影響，如以下代碼所示：

package jvm;

public class Hello {
    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);
    }
}

　　 這段代碼在JDK1.6中運行，會得到兩個false，而在JDK1.7中運行，會得到一個true和一個false。產生差異的原因是：在JDK1.6中，intern()方法會把首次遇到的字元串複製到永久代中，返回的也是永久代中這個字元串的引用，而由StringBuilder創建的字元串實例在Java堆中，所以必然不是同一個引用，將返回false。而JDK1.7(以及部分其他虛擬機，例如JRockit)的intern()實現不會再複製實例，而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創建的那個字元串是同一個。對str2比較返回false是因為"java"字元串在執行StringBuilder()之前就已經出現過，字元串常量池中已經有它的引用了，不符合“首次出現”原則，而“電腦軟體”這個字元串則是首次出現的，因此返回true。如果在Hello.java中添加如下代碼的話，返回的結果也是false，證明"main"字元串之前也出現過了。

String str3 = new StringBuilder("ma").append("in").toString();
System.out.println(str3.intern() == str3);

參考

　　1、《深入理解Java虛擬機》 2.4.3章節

　　2、Java中的字元串常量池-技術小黑屋

　　3、Java永久代去哪兒了

　　4、深入理解OutOfMemoryError