JVM記憶體分析及導致記憶體溢出的不健壯代碼及解決辦法

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一、JVM記憶體地區組成 

java把記憶體分四種： 
1、棧區（stack segment）— 由編譯器自動分配釋放,存放函數的參數值，局部變數的值等，具體方法執行結束之後，系統自動釋放記憶體資源 
2、堆區（heap segment） — 一般由程式員分配釋放，存放由new建立的對象和數組，jvm不定時查看這個對象，如果沒有引用指向這個對象就回收 
3、靜態區（data segment）— 存放全域變數，靜態變數和字串常量，不釋放 
4、代碼區（code segment）— 存放程式中方法的二進位代碼，而且是多個對象 共用一個代碼空間地區 

在方法（代碼塊）中定義一個變數時，java就在棧中為這個變數分配記憶體空間，當超過變數的範圍後，java會自動釋放掉為該變數所分配的記憶體空間；在堆中分配的記憶體由java虛擬機器的自動記憶體回收行程來管理，堆的優勢是可以動態分配記憶體大小，生存期也不必事先告訴編譯器，因為它是在運行時動態分配記憶體的。缺點就是要在運行時動態分配記憶體，存取速度較慢；棧的優勢是存取速度比堆要快，缺點是存在棧中的資料大小與生存期必須是確定的無靈活性。 

java堆由Perm區和Heap區組成，Heap區則由Old區和New區組成，而New區又分為Eden區, From區, To區，Heap = {Old + NEW = { Eden, From, To } }，見圖1所示。

Heap區分兩大塊，一塊是 NEW Generation, 另一塊是Old Generation. 在NewGeneration中，有一個叫Eden的空間，主要是用來存放新生的對象，還有兩個Survivor Spaces（from,to）,它們用來存放每次記憶體回收後存活下來的對象。在Old Generation中，主要存放應用程式中生命週期長的記憶體對象，還有個PermanentGeneration，主要用來放JVM自己的反射對象，比如類對象和方法對象等。 

在NewGeneration塊中，記憶體回收一般用Copying的演算法，速度快。每次GC的時候，存活下來的對象首先由Eden拷貝到某個SurvivorSpace, 當Survivor Space空間滿了後, 剩下的live對象就被直接拷貝到OldGeneration中去。因此，每次GC後，Eden記憶體塊會被清空。在OldGeneration塊中，記憶體回收一般用mark-compact的演算法，速度慢些，但減少記憶體要求. 

記憶體回收分多級，0級為全部(Full)的記憶體回收，會回收OLD段中的垃圾；1級或以上為部分記憶體回收，只會回收NEW中的垃圾，記憶體溢出通常發生於OLD段或Perm段記憶體回收後，仍然無記憶體空間容納新的Java對象的情況。 

JVM調用GC的頻度還是很高的，主要兩種情況下進行記憶體回收：當應用程式線程空閑；另一個是java記憶體堆不足時，會不斷調用GC，若連續回收都解決不了記憶體堆不足的問題時，就會報out of memory錯誤。因為這個異常根據系統運行環境決定，所以無法預期它何時出現。 

根據GC的機制，程式的運行會引起系統運行環境的變化，增加GC的觸發機會。為了避免這些問題，程式的設計和編寫就應避免垃圾對象的記憶體佔用和GC的開銷。顯示調用System.GC()只能建議JVM需要在記憶體中對垃圾對象進行回收，但不是必須馬上回收，一個是並不能解決記憶體資源耗空的局面，另外也會增加GC的消耗。 

當一個URL被訪問時，記憶體申請過程如下： 
A. JVM會試圖為相關Java對象在Eden中初始化一塊記憶體地區 
B. 當Eden空間足夠時，記憶體申請結束。否則到下一步 
C. JVM試圖釋放在Eden中所有不活躍的對象（這屬於1或更進階的記憶體回收）, 釋放後若Eden空間仍然不足以放入新對象，則試圖將部分Eden中活躍對象放入Survivor區 
D. Survivor區被用來作為Eden及OLD的中間交換地區，當OLD區空間足夠時，Survivor區的對象會被移到Old區，否則會被保留在Survivor區 
E. 當OLD區空間不夠時，JVM會在OLD區進行完全的垃圾收集（0級） 
F. 完全垃圾收集後，若Survivor及OLD區仍然無法存放從Eden複製過來的部分對象，導致JVM無法在Eden區為新對象建立記憶體地區，則出現"out of memory錯誤" 

二、記憶體溢出類型 
1、java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 
JVM管理兩種類型的記憶體，堆和非堆。堆是給開發人員用的，是在JVM啟動時建立；非堆是留給JVM自己用的，用來存放類的資訊的。它和堆不同，運行期內GC不會釋放空間。如果webapp用了大量的第三方jar或者應用有太多的class檔案而恰好MaxPermSize設定較小，超出了也會導致這塊記憶體的佔用過多造成溢出，或者tomcat熱部署時侯不會清理前面載入的環境，只會將context更改為新部署的，非堆存的內容就會越來越多。 

2、java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 
這種記憶體溢出是最常見的情況之一，主要體現在Old區的溢出，產生的原因可能是：1) 設定的記憶體參數過小(ms/mx, NewSize/MaxNewSize)；2) 程式問題。Heapspace其預設空間(即-Xms)是實體記憶體的1/64，最大空間(-Xmx)是實體記憶體的1/4。如果記憶體剩餘不到40％，JVM就會增大堆到Xmx設定的值，記憶體剩餘超過70％，JVM就會減小堆到Xms設定的值。所以伺服器的Xmx和Xms設定一般應該設定相同避免每次GC後都要調整虛擬機器堆的大小。假設實體記憶體無限大，那麼JVM記憶體的最大值跟作業系統有關，一般32位機是1.5g到3g之間，而64位的就不會有限制了。 

注意：如果Xms超過了Xmx值，或者堆最大值和非堆最大值的總和超過了實體記憶體或者作業系統的最大限制都會引起伺服器啟動不起來。 

3、java.lang.OutOfMemoryError: c heap space 
系統對C Heap沒有限制，故C Heap發生問題時，Java進程所佔記憶體會持續增長，直到佔用所有可用系統記憶體 

4、其他 
JVM有2個GC線程。第一個線程負責回收Heap的Young區。第二個線程在Heap不足時，遍曆Heap，將Young區升級為Older區。Older區的大小等於-Xmx減去-Xmn，不能將-Xms的值設的過大，因為第二個線程被迫運行會降低JVM的效能。 
為什麼一些程式頻繁發生GC？有如下原因： 
a、程式內調用了System.gc()或Runtime.gc()。 
b、一些中介軟體軟體調用自己的GC方法，此時需要設定參數禁止這些GC。 
c、Java的Heap太小，一般預設的Heap值都很小。 
d、頻繁執行個體化���象，Release對象。此時盡量儲存並重用對象，例如使用StringBuffer()和String()。 
如果你發現每次GC後，Heap的剩餘空間會是總空間的50%，這表示你的Heap處於健康狀態。許多Server端的Java程式每次GC後最好能有65%的剩餘空間 

三、JVM如何設定虛擬記憶體 
提示：在JVM中如果98％的時間是用於GC且可用的Heap size 不足2％的時候將拋出此異常資訊。 
提示：Heap Size 最大不要超過可用實體記憶體的80％，一般的要將-Xms和-Xmx選項設定為相同，而-Xmn為1/4的-Xmx值。 
提示：JVM初始分配的記憶體由-Xms指定，預設是實體記憶體的1/64；JVM最大分配的記憶體由-Xmx指定，預設是實體記憶體的1/4。預設空餘堆記憶體小於40%時，JVM就會增大堆直到-Xmx的最大限制；空餘堆記憶體大於70%時，JVM會減少堆直到-Xms的最小限制。因此伺服器一般設定-Xms、-Xmx相等以避免在每次GC 後調整堆的大小。 
提示：假設實體記憶體無限大的話，JVM記憶體的最大值跟作業系統有很大的關係。簡單的說就32位處理器雖然可控記憶體空間有4GB,但是具體的作業系統會給一個限制，這個限制一般是2GB-3GB（一般來說Windows系統下為1.5G-2G，Linux系統下為2G-3G），而64bit以上的處理器就不會有限制了 
提示：注意：如果Xms超過了Xmx值，或者堆最大值和非堆最大值的總和超過了實體記憶體或者作業系統的最大限制都會引起伺服器啟動不起來。 
提示：設定NewSize、MaxNewSize相等，"new"的大小最好不要大於"old"的一半，原因是old區如果不夠大會頻繁的觸發"主" GC ，大大降低了效能 
提示：增加Heap Size 雖然會降低GC的頻率，但也增加了每次GC的時間。並且GC運行時，所有的使用者線程將暫停，也就是GC期間，Java應用程式不做任何工作。 
提示：Heap Size 並不決定進程的記憶體使用量量。進程的記憶體使用量量要大於-Xmx定義的值，因為Java為其他任務分配記憶體，例如每個線程的Stack等。 
提示：每個線程都有他自己的Stack，Stack Size 限制著線程的數量。如果Stack過大就好導致記憶體溢漏。-Xss參數決定Stack大小，例如-Xss1024K。如果Stack太小，也會導致Stack溢漏。 

JVM使用-XX:PermSize設定非堆記憶體初始值，預設是實體記憶體的1/64；由XX:MaxPermSize設定最大非堆記憶體的大小，預設是實體記憶體的1/4。 
解決方案：手動設定Heap size 
修改TOMCAT_HOME/bin/catalina.bat 
在"echo "Using CATALINA_BASE: $CATALINA_BASE""上面加入以下行： 
JAVA_OPTS="-server -Xms800m -Xmx800m -XX:MaxNewSize=256m" 

四、不健壯代碼的特徵及解決辦法 
1、儘早釋放無用對象的引用。好的辦法是使用臨時變數的時候，讓引用變數在退出活動域後，自動化佈建為null，暗示垃圾收集器來收集該對象，防止發生記憶體泄露。對於仍然有指標指向的執行個體，jvm就不會回收該資源,因為記憶體回收會將值為null的對象作為垃圾，提高GC回收機制效率； 
2、我們的程式裡不可避免大量使用字串處理，避免使用String，應大量使用StringBuffer，每一個String對象都得獨立佔用記憶體一塊地區；例如 
3、盡量少用靜態變數，因為靜態變數是全域的，GC不會回收的； 
4、避免集中建立對象尤其是大對象，JVM會突然需要大量記憶體，這時必然會觸發GC最佳化系統記憶體環境；顯示的聲明數組空間，而且申請數量還極大。 
5、盡量運用對象池技術以提高系統效能；生命週期長的對象擁有生命週期短的對象時容易引發記憶體流失，例如大集合對象擁有大資料量的業務對象的時候，可以考慮分塊進行處理，然後解決一塊釋放一塊的策略。 
6、不要在經常調用的方法中建立對象，尤其是忌諱在迴圈中建立對象。可以適當的使用hashtable，vector 建立一組對象容器，然後從容器中去取那些對象，而不用每次new之後又丟棄 
7、一般都是發生在開啟大型檔案或跟資料庫一次拿了太多的資料，造成 Out Of Memory Error 的狀況，這時就大概要計算一下資料量的最大值是多少，並且設定所需最小及最大的記憶體空間值。