深入理解JVM：OutOfMemory实战

Posted 2023-01-16 孙悟空2015

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），下面我们来详细分析。
Java堆溢出
Java堆用于存储对象实例，只要不断的创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制来清除这些对象，那么对象数量到达最大堆容量限制后就会产生内存溢出异常。例如：

// VM Args:-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
public class HeapOOM
    public static void main(String[] args)
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
        while(true)
            list.add(new OOMObject());
        
    

Java堆的大小限制为20M，不可扩展（将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx最大值参数设置为一样，避免自动扩展）通过参数-XX：+HeapDumpOnOutOfMemoryError，可以让虚拟机在出现内存溢出时Dump出当前的内存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工具如（Eclipse MemoryAnalyzer）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，也就是要先分析到底是出现了内存泄露(Memory Leak)还是内存溢出（Memory Overflow）
如果是内存泄露，可进一步通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链，这样就比较容易确定发生泄露的代码位置。
如果不存在内存泄露，那就应当检查虚拟机堆参数(-Xmx与-Xms)，与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。
虚拟机栈和本地方法栈溢出
在Hotspot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，以此，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可以出现以下两周异常：
1、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
2、如果虚拟机在扩展时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常
举个例子：

public class JavaVMStackSOF
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak()
        stackLength ++;
        stackLeak();
    
    public static void main(String[] args)
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try
            oom.stackLeak();
        catch(Throwable e)
            throw e;
        
    

将此代码运行在单线程下，均让无法让虚拟机产生OutOfMemoryError异常，尝试结果都是StackOverflowError异常。
1、使用-Xss 参数减少栈内存容量，结果：抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的栈的深度相应缩小
2、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减小。
因此，在单线程下，无论是由于栈帧太大还是虚拟机容量太小，当内存无法分配的时候虚拟机都抛出的是StackOverflowError。
如果测试不限于单线程，通过不断的建立线程的方式倒是可以产生内除溢出异常，但是这样产生的内存溢出与栈空间是否够大不存在任何联系，或者说，为每个线程的栈分配的内存越大，然而越容易产生内存溢出异常。
原因是，操作系统分配给每个线程的内存是有限的，32位window为2G，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2G（操作系统内存）减去Xmx（堆最大容量），再减去MaxPermSize（最大方法区容量），程序计数器消耗的内存很小，可以忽略。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。每个线程分配到栈容量越大，可以建立的线程数自然越少，建立线程时越容易把剩余的内存耗尽。
方法区和运行时常量池溢出
运行时常量池是方法区的一部反，这两个可以放在一起。
String.intern()方法是一个native方法，他的作用是：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，并返回此String对象的引用。
我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量，代码如下：

public class RuntimeConstantPoolOOM
    public static void main(String[] args)
        // 使用List保持着常量池引用，避免Full GC 回收常量池行为
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        int i=0;
        while(true)
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        
    

方法区用于存放Class相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。方法区的溢出是一个类要被垃圾收集器回收掉，判断条件是比较苛刻的。在经常动态生成大量Class应用中，需要特别注意类的回收情况。场景有程序使用了CGLib字节码增强和动态语言，还有大量jsp或动态产生jsp文件的应用。例如：

public class JavaMethodAreaOOM
    public static void main(String[] args)
        while(true)
            Enhancer e = new Enhancer();
            e.setSuperClass(OOMObject.class);
            e.setUseCache(false);
            e.setCallback(new MethodInterceptor()
                public Object interceptor(Object obj,Method method,Object[] args,MethodProxy proxy)
                    return proxy.invokeSuper(obj,args);
                
            );
            e.create();
        
    

本机直接内存溢出
DirectMemory容量可通过-XX：MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆最大值-Xmx一样，例如：

public class DirectMemoryOOM
    private static final _1MB = 1024*1024;
    public static void main(String[] args)
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeField.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe)unsafeField.get(null);
        while(true)
            unsafe.allocateMemory(_1MB);
        
    

以上代码直接通过反射获取Unsafe实例进行内存分配。虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常，但是他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，于是收到抛出异常，真正申请分配内存的方法时unsafe.allocateMemory()方法。