JVM技术专题服务发生OOM故障定位方案「实战篇」

Posted 2022-12-02 浩宇の天尚

前提概要

对于JVM服务而言出现了OOM(Out Of Memory)问题，并且对其进行相关的解决是作为一个Java技术栈人员必备的实战能力。在此总结了一些相对通用的方案，希望能帮助到大家。

分析原因

某Java服务出现了OOM，最常见的原因为：

1. 有可能是内存分配确实过小，而正常业务使用了大量内存（正常现象）

2. 某一个对象被频繁申请，却没有释放，内存不断泄漏，导致内存耗尽（内存泄漏、代码问题）

3. 某一个资源被频繁申请，系统资源耗尽，例如：不断创建线程，不断发起网络连接（线程不断创建、代码问题）

排查方案

确认是不是内存本身就分配过小

方法：jmap -heap pid

如上图，可以查看新生代，老生代堆内存的分配大小以及使用情况，看是否本身分配过小。

找到最耗内存的对象

方法：jmap -histo:live 10765 | more

如上图，输入命令后，会以表格的形式显示存活对象的信息，并按照所占内存大小排序：

• 实例数
• 所占内存大小
• 类名

是不是很直观？对于实例数较多，占用内存大小较多的实例/类，相关的代码就要针对性review了。

上图中占内存最多的对象是RingBufferLogEvent，共占用内存18M，属于正常使用范围。

如果发现某类对象占用内存很大（例如几个G），很可能是类对象创建太多，且一直未释放。例如：

• 申请完资源后，未调用close()或dispose()释放资源

• 消费者消费速度慢（或停止消费了），而生产者不断往队列中投递任务，导致队列中任务累积过多

线上执行该命令会强制执行一次fullgc。另外还可以dump内存进行分析。

确认是否是资源耗尽

工具：

• pstree

• netstat

查看进程创建的线程数，以及网络连接数，如果资源耗尽，也可能出现OOM。

这里介绍另一种方法，通过

/proc/$PID/fd
/proc/$PID/task

可以分别查看句柄详情和线程数。

例如，某一台线上服务器的sshd进程PID是9339，查看

ll /proc/9339/fd
ll /proc/9339/task

如上图，sshd共占用了四个句柄

• 0 -> 标准输入

• 1 -> 标准输出

• 2 -> 标准错误输出

• 3 -> socket（容易想到是监听端口）

sshd只有一个主线程PID为9339，并没有多线程。

所以，只要

ll /proc/$PID/fd | wc -l
ll /proc/$PID/task | wc -l （效果等同pstree -p | wc -l）

就能知道进程打开的句柄数和线程数。

Java内存溢出OOM

JVM中常见的两个错误

• StackoverFlowError ：栈溢出

• OutOfMemoryError: java heap space：堆溢出

除此之外，还有以下的错误

java.lang.StackOverflowError
java.lang.OutOfMemoryError：java heap space
java.lang.OutOfMemoryError：GC overhead limit exceeeded
java.lang.OutOfMemoryError：Direct buffer memory
java.lang.OutOfMemoryError：unable to create new native thread
java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace

OutOfMemoryError和StackOverflowError是属于Error，不是Exception

StackoverFlowError

堆栈溢出，我们有最简单的一个递归调用，就会造成堆栈溢出，也就是深度的方法调用栈一般是512K，不断的深度调用，直到栈被撑破

public class StackOverflowErrorDemo 
  public static void main(String[] args) 
    stackOverflowError();
  
  /**
   * 栈一般是512K，不断的深度调用，直到栈被撑破
   * Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
   */
  private static void stackOverflowError() 
    stackOverflowError();
  

运行结果

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
  at com.moxi.interview.study.oom.StackOverflowErrorDemo.stackOverflowError(StackOverflowErrorDemo.java:17)

OutOfMemoryError：java heap space

创建了很多对象，导致堆空间不够存储

public class JavaHeapSpaceDemo 
  public static void main(String[] args) 
    // 堆空间的大小 -Xms10m -Xmx10m
    // 创建一个 80M的字节数组
    byte [] bytes = new byte[80 * 1024 * 1024];
  

我们创建一个80M的数组，会直接出现Java heap space

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

GC overhead limit exceeded

GC回收时间过长时会抛出OutOfMemoryError，过长的定义是，超过了98%的时间用来做GC，并且回收了不到2%的堆内存

为了更快的达到效果，我们首先需要设置JVM启动参数

-Xms10m -Xmx10m -XX:+PrintGCDetails -XX:MaxDirectMemorySize=5m

异常出现的步骤就是，我们不断的像list中插入String对象，直到启动GC回收

public class GCOverheadLimitDemo 
  public static void main(String[] args) 
    int i = 0;
    List<String> list = new ArrayList<>();
    try 
      while(true) 
      //1.6时intern()方法发现字符串常量池(存储永久代)没有就复制,物理拷贝
      //1.7时intern()方法发现字符串常量池(存储堆)没有就在保存地址值映射实际堆内存对象
        list.add(String.valueOf(++i).intern());
      
     catch (Exception e) 
      System.out.println("***************i:" + i);
      e.printStackTrace();
      throw e;
     finally 
    
  

运行结果

[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 2047K->2047K(2560K)] [ParOldGen: 7106K->7106K(7168K)] 9154K->9154K(9728K), [Metaspace: 3504K->3504K(1056768K)], 0.0311093 secs] [Times: user=0.13 sys=0.00, real=0.03 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 2047K->0K(2560K)] [ParOldGen: 7136K->667K(7168K)] 9184K->667K(9728K), [Metaspace: 3540K->3540K(1056768K)], 0.0058093 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap
 PSYoungGen   total 2560K, used 114K [0x00000000ffd00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
 eden space 2048K, 5% used [0x00000000ffd00000,0x00000000ffd1c878,0x00000000fff00000)
 from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
 to  space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen    total 7168K, used 667K [0x00000000ff600000, 0x00000000ffd00000, 0x00000000ffd00000)
 object space 7168K, 9% used [0x00000000ff600000,0x00000000ff6a6ff8,0x00000000ffd00000)
 Metaspace    used 3605K, capacity 4540K, committed 4864K, reserved 1056768K
 class space  used 399K, capacity 428K, committed 512K, reserved 1048576K
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded
  at java.lang.Integer.toString(Integer.java:403)
  at java.lang.String.valueOf(String.java:3099)
  at com.moxi.interview.study.oom.GCOverheadLimitDemo.main(GCOverheadLimitDemo.java:18)

我们能够看到 多次Full GC，并没有清理出空间，在多次执行GC操作后，就抛出异常 GC overhead limit

Direct buffer memory

Netty + NIO：这是由于NIO引起的

1. NIO程序的时候经常会使用ByteBuffer来读取或写入数据，这是一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存

2. 然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

ByteBuffer.allocate(capability)：第一种方式是分配JVM堆内存，属于GC管辖范围，由于需要拷贝所以速度相对较慢

ByteBuffer.allocteDirect(capability)：第二种方式是分配OS本地内存，不属于GC管辖范围，由于不需要内存的拷贝，所以速度相对较快

如果不断分配本地内存，堆内存很少使用，那么JVM就不需要执行GC，DirectByteBuffer对象就不会被回收，这时候堆内存充足，但本地内存可能已经使用光了，再次尝试分配本地内存就会出现OutOfMemoryError，那么程序就崩溃了。

一句话说：本地内存不足，但是堆内存充足的时候，就会出现这个问题

我们使用 -XX:MaxDirectMemorySize=5m 配置能使用的堆外物理内存为5M

-Xms20m -Xmx20m -XX:+PrintGCDetails -XX:MaxDirectMemorySize=5m

然后我们申请一个6M的空间

// 只设置了5M的物理内存使用，但是却分配 6M的空间
ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(6 * 1024 * 1024);
这个时候，运行就会出现问题了

配置的maxDirectMemory：5.0MB

[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 2030K->488K(2560K)] 2030K->796K(9728K), 0.0008326 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 488K->0K(2560K)] [ParOldGen: 308K->712K(7168K)] 796K->712K(9728K), [Metaspace: 3512K->3512K(1056768K)], 0.0052052 secs] [Times: user=0.09 sys=0.00, real=0.00 secs] 
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
  at java.nio.Bits.reserveMemory(Bits.java:693)
  at java.nio.DirectByteBuffer.<init>(DirectByteBuffer.java:123)
  at java.nio.ByteBuffer.allocateDirect(ByteBuffer.java:311)
  at com.moxi.interview.study.oom.DIrectBufferMemoryDemo.main(DIrectBufferMemoryDemo.java:19)

unable to create new native thread

不能够创建更多的新的线程了，也就是说创建线程的上限达到了

在高并发场景的时候，会应用到

高并发请求服务器时，经常会出现如下异常java.lang.OutOfMemoryError:unable to create new native thread，准确说该 native thread 异常与对应的平台有关

导致原因：

应用创建了太多线程，一个应用进程创建多个线程，超过系统承载极限

服务器并不允许你的应用程序创建这么多线程，Linux系统默认运行单个进程可以创建的线程为1024个，如果应用创建超过这个数量，就会报 java.lang.OutOfMemoryError:unable to create new native thread

解决方法

• 想办法降低你应用程序创建线程的数量，分析应用是否真的需要创建这么多线程，如果不是，改代码将线程数降到最低

• 对于有的应用，确实需要创建很多线程，远超过linux系统默认1024个线程限制，可以通过修改linux服务器配置，扩大linux默认限制

public class UnableCreateNewThreadDemo 
  public static void main(String[] args) 
    for (int i = 0; ; i++) 
      System.out.println("************** i = " + i);
      new Thread(() -> 
        try 
          TimeUnit.SECONDS.sleep(Integer.MAX_VALUE);
         catch (InterruptedException e) 
          e.printStackTrace();
        
      , String.valueOf(i)).start();
    
  

这个时候，就会出现下列的错误，线程数大概在 900多个

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to cerate new native thread

如何查看线程数

ulimit -u

Metaspace

元空间内存不足，Matespace元空间应用的是本地内存

-XX:MetaspaceSize 的初始化大小为20M

元空间是什么

元空间就是我们的方法区，存放的是类模板，类信息，常量池等

Metaspace是方法区HotSpot中的实现，它与持久代最大的区别在于：Metaspace并不在虚拟内存中，而是使用本地内存，也即在java8中，class metadata（the virtual machines internal presentation of Java class），被存储在叫做Metaspace的native memory

永久代（java8后背元空间Metaspace取代了）存放了以下信息：

• 虚拟机加载的类信息
• 常量池
• 静态变量
• 即时编译后的代码

模拟Metaspace空间溢出，我们不断生成类 往元空间里灌输，类占据的空间总会超过Metaspace指定的空间大小

代码
在模拟异常生成时候，因为初始化的元空间为20M，因此我们使用JVM参数调整元空间的大小，为了更好的效果

-XX:MetaspaceSize=8m -XX:MaxMetaspaceSize=8m

代码如下：

public class MetaspaceOutOfMemoryDemo 
  // 静态类
  static class OOMTest 
  
  public static void main(final String[] args) 
    // 模拟计数多少次以后发生异常
    int i =0;
    try 
      while (true) 
        i++;
        // 使用Spring的动态字节码技术
        Enhancer enhancer = new Enhancer();
        enhancer.setSuperclass(OOMTest.class);
        enhancer.setUseCache(false);
        enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() 
          @Override
          public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable 
            return methodProxy.invokeSuper(o, args);
          
        );
      
     catch (Exception e) 
      System.out.println("发生异常的次数:" + i);
      e.printStackTrace();
     finally 
    
  

会出现以下错误：

发生异常的次数: 201

java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace

注意

• 在JDK1.7之前:永久代是方法区的实现，存放了运行时常量池、字符串常量池和静态变量等。

• 在JDK1.7:永久代是方法区的实现，将字符串常量池和静态变量等移出至堆内存。运行时常量池等剩下的还再永久代(方法区)

在JDK1.8及以后：永久代被元空间替代，相当于元空间实现方法区，此时字符串常量池和静态变量还在堆，运行时常量池还在方法区(元空间)，元空间使用的是直接内存。

• -XX:MetaspaceSize=N//设置Metaspace的初始（和最小大小）

• -XX:MaxMetaspaceSize=N//设置Metaspace的最大大小 与永久代很大的不同就是，如果不指定大小的话，随着更多类的创建，虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。