深入理解Java虚拟机笔记1: OOM实战

Posted 2023-02-23 皖南笑笑生

通过代码模拟Java虚拟机规范中描述的各个运行时区域内存溢出的场景。

• 1. Java堆溢出
• 2. 虚拟机栈和本地方法栈溢出
  • 2.1 StackOverflowError
  • 2.2 栈OutOfMemoryError
• 3. 方法区和运行时常量池溢出
  • 3.1 运行时常量池溢出
  • 3.2 方法区溢出
• 4. 本机直接内存溢出
• 小结

1. Java堆溢出

首先，虚拟机启动参数配置如下：

-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8

其中，-verbose:gc表示输出虚拟机中GC的详细情况。-Xms20M -Xmx20M最小堆内存20M，最大堆内存20M。-Xmn10M设置新生代的容量10M。-XX:+PrintGCDetails打印GC详细信息，-XX:SurvivorRatio=8年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。

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

/**
 * 
 * 
 * VM Args:-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8
 * @author 作者 zhuyiquan90
 * @created 2017-9-1 上午11:46:34
 * @version 1.0.0
 * @date 2017-9-1 上午11:46:34
 */
public class HeapOOM 

    static class OOMObject 

    

    public static void main(String[] args) 
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();

        while (true) 
            list.add(new OOMObject());            
        
    

输出：

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:213)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:187)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:411)
    at HeapOOM.main(HeapOOM.java:15)
Heap
 def new generation   total 9216K, used 8920K [0x32570000, 0x32f70000, 0x32f70000)
  eden space 8192K, 100% used [0x32570000, 0x32d70000, 0x32d70000)
  from space 1024K,  71% used [0x32d70000, 0x32e26040, 0x32e70000)
  to   space 1024K,   0% used [0x32e70000, 0x32e70000, 0x32f70000)
 tenured generation   total 10240K, used 5693K [0x32f70000, 0x33970000, 0x33970000)
   the space 10240K,  55% used [0x32f70000, 0x334ff7f8, 0x334ff800, 0x33970000)
 compacting perm gen  total 12288K, used 135K [0x33970000, 0x34570000, 0x37970000)
   the space 12288K,   1% used [0x33970000, 0x33991dd8, 0x33991e00, 0x34570000)
    ro space 10240K,  45% used [0x37970000, 0x37df1888, 0x37df1a00, 0x38370000)
    rw space 12288K,  54% used [0x38370000, 0x389f04f8, 0x389f0600, 0x38f70000)

-Xms20M -Xmx20M导致Java堆内存20M不可扩展，通过-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在内存溢出异常时DUMP内存快照供分析。

2. 虚拟机栈和本地方法栈溢出

• 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；
• 如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

2.1 StackOverflowError

虚拟机参数增加-Xss128k，每个线程栈大小128k。栈深度在大多数情况下（压入栈的帧大小不同）达到1000-2000是没有问题的，正常的方法调用和递归，这个深度是够用的。

/**
 * 
 * 
 * 功能描述： 模拟StackOverflowError
 * VM Args: -Xss128k
 * @author 作者 zhuyiquan90
 * @created 2017-9-1 上午11:04:01
 * @version 1.0.0
 * @date 2017-9-1 上午11:04:01
 */
public class JavaVMStackSOF 

    private int stackLength = 1;

    public void stackLeak()
        stackLength++;
        stackLeak();
    

    public static void main(String[] args) throws Throwable
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try 
            oom.stackLeak();
         catch (Exception e) 
            System.out.println("stack length" + oom.stackLength);
            throw e;
        
    

虚拟机抛出StackOverflowError异常，输出：

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:7)
    at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:8)
    ...

2.2 栈OutOfMemoryError

需要注意，为每个线程的栈分配的内存越大，反而越容易产生栈内存溢出异常。
这个不难理解，每个线程分配到栈容量越大，可以建立的线程数量自然就越少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。
因此，可以通过“减少内存”的手段来解决栈内存溢出问题。

/**
 * 
 * 
 * 功能描述： 栈OutOfMemoryError 
 * VM Args:-Xss2M 调大单线程可使用栈空间大小
 * @author zhuyiquan90
 * @created 2017-9-1 上午11:20:06
 * @version 1.0.0
 * @date 2017-9-1 上午11:20:06
 */
public class JavaVMStackOOM 
    private void dontStop() 
        while (true) 
        
    

    public void stackLeakByThread() 
        while (true) 
            Thread thread = new Thread(new Runnable() 

                @Override
                public void run() 
                    dontStop();

                
            );
            thread.start();
        
    

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

Windows平台由于Java的线程是映射到操作系统的内核线程，因此上述代码可能会导致操作系统假死。

3. 方法区和运行时常量池溢出

3.1 运行时常量池溢出

JDK 1.7开始逐步“去永久代化”。在JDK 1.6及之前的版本，由于常量池分配在永久代，可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制常量池容量。

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

/**
 * 
 * 
 * 功能描述： 运行时常量池内存溢出
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author 作者 zhuyiquan90
 * @created 2017-9-1 上午11:50:48
 * @version 1.0.0
 * @date 2017-9-1 上午11:50:48
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM 

    public static void main(String[] args) 
        // 使用List保持常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        // 10MB的PermSize在integer范围内足够产生OOM
        int i =0;
        while(true) 
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        
    

在JDK 1.6以下，运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.String.intern(Native Method)
    at RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:22)

在JDK 1.7及以上，while循环将一直进行下去。

3.2 方法区溢出

方法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这些区域的测试，基本的思想是运行时产生大量的类去填满方法去，直到溢出。

package com.suning;

import java.lang.reflect.Method;

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

/**
 * 
 * 
 * 功能描述： 方法区内存溢出
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author 作者 zhuyiquan90
 * @created 2017-9-1 下午3:31:27
 * @version 1.0.0
 * @date 2017-9-1 下午3:31:27
 */
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 
                    // TODO Auto-generated method stub
                    return proxy.invokeSuper(obj, args);
                
            );
            enhancer.create();
        
    

    static class OOMObject 

    

运行结果：

Exception in thread "main" net.sf.cglib.core.CodeGenerationException: java.lang.reflect.InvocationTargetException-->null
    at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:237)
    at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:377)
    at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:285)
    at com.suning.JavaMethodAreaOOM.main(JavaMethodAreaOOM.java:35)

Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"

4. 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指定）一样。

import java.lang.reflect.Field;
import sun.misc.Unsafe;

/**
 * 
 * 
 * 功能描述： 本机直接内存溢出
 * VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 * @author 作者 zhuyiquan90
 * @created 2017-9-1 下午3:43:58
 * @version 1.0.0
 * @date 2017-9-1 下午3:43:58
 */
public class DirectMemoryOOM 

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

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

运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:14)

需要注意，由DirectMemory导致的内存溢出，在Heap Dump文件中不会看见异常（Java NIO中是在和DirectMemory交互）。

小结

Java的OOM包括了：

1. Java堆溢出
2. 虚拟机栈和本地方法栈溢出
3. 方法区和运行时常量池溢出
4. 本机直接内存溢出