架构师技能3-彻底深入理解和分析Java中内存溢出OutOfMemoryError

Posted 2022-12-04 hguisu

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了架构师技能3-彻底深入理解和分析Java中内存溢出OutOfMemoryError相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

开篇语录：以架构师的能力要求去分析每个问题，过后由表及里分析问题的本质，复盘总结经验，并把总结内容记录下来。当你解决各种各样的问题，也就积累了丰富的解决问题的经验，解决问题的能力也将自然得到极大的提升。

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java开发人员经常遇到OutOfMemoryError的问题。要解决这些问题，要有对java虚拟机的内存管理有一定的认识，甚至对linux系统也要有一定的熟悉。透过分析问题，深入挖掘问题本质，进而强迫自己学习相应基础知识。

昨天隔壁项目的应用遇到了OutOfMemoryError：unable to create new native thread问题，再次把之前的草稿文章整理，顺便总结发出来。

如果对jvm虚拟机还不了解，请先看我之前的总结：

《java(5)-深入理解虚拟机JVM》和《java(9)-深入浅出GC垃圾回收机制》

第一种OutOfMemoryError： PermGen space

1）、程序中使用了大量的jar或class，使java虚拟机装载类的空间不够，与Permanent Generation space有关。这个主要是java8之前遇到的问题，可以通过配置-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来设置。即PermGen space是有关非堆内存的内存溢出，

在JDK8之前的HotSpot JVM，存放这些”永久的”的区域叫做“永久代(permanent generation)”。永久代的垃圾收集是和老年代(old generation)捆绑在一起的，因此无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集。当JVM加载的类信息容量超过了参数-XX：MaxPermSize设定的值时，应用将会报OOM的错误：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen
JDK8的JVM不再有PermGen。但类的元数据信息（metadata）还在，只不过不再是存储在连续的非堆空间上，而是移动到叫做“Metaspace”的本地内存（Native memory）中。

2)、在JDK6.0及之前版本，字符串常量池是放在Perm Gen区(也就是方法区)中；可以运行如下代码，会报异常信息：java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space

public class StringConstantPoolTest 
    public static void main(String[] args) 
        List<String> list = Lists.newArrayList();
        while (true) 
            list.add(String.valueOf(System.currentTimeMillis()).intern());

3）我们看看java8之前永久代Perm Gen非堆内存分配 -XX:PermSize例子：

java8之前永久代是一片连续的堆空间。在JVM启动之前通过在命令行设置参数-XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配的内存空间：

      -XX:PermSize：设置JVM非堆内存初始值，默认是物理内存的1/64；
      -XX:MaxPermSize：设置最大非堆内存的大小，默认是物理内存的1/4。
    （还有一说：MaxPermSize缺省值和-server -client选项相关，-server选项下默认MaxPermSize为64m，-client选项下默认MaxPermSize为32m）

永久代或者“Perm Gen”包含了JVM需要的应用元数据，这些元数据包括类的版本、字段、方法、接口等描述信息，还有运行时常量池，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用。注意，永久代不是Java堆内存的一部分。class文件中包括
永久代存放JVM运行时使用的类。永久代同样包含了Java SE库的类和方法。永久代的对象在full GC时进行垃圾收集。

在jdk7设置-XX:MaxPermSize过小会导致java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，原因如下：PermGen space用于存放Class和Meta的信息，GC不会对PermGen space进行处理，所以如果Load很多Class的话，就会出现上述Error。这种Error在web服务器对JSP进行pre compile的时候比较常见。

动态生成类的情况比较容易出现永久代的内存溢出。们现在通过动态生成类来模拟 “PermGen space”的内存溢出：

package com.demo.test;
public class TestClass

动态加载类com.demo.test.TestClass：

package com.demo.test.web;
     
    /**
     * Created by huangguisu on 2019/7/10.
     */
     
    import java.io.File;
    import java.net.URL;
    import java.net.URLClassLoader;
    import java.util.ArrayList;
     import java.util.List;
     
    public class PermGenOom
        public static void main(String[] args) 
            URL url = null;
            List<ClassLoader> classLoaderList = new ArrayList<ClassLoader>();
            try 
                url = new File("/tmp").toURI().toURL();
                URL[] urls = url;
                while (true)
                    ClassLoader loader = new URLClassLoader(urls);
                    classLoaderList.add(loader);
                    loader.loadClass("com.demo.test.TestClass");
                
             catch (Exception e) 
                e.printStackTrace();

使用JDK1.7执行，指定的 PermGen 区-XX:MaxPermSize的大小为 8M：

第二种OutOfMemoryError： Java heap space

1)、发生这种问题的原因是java虚拟机创建的对象太多，在进行垃圾回收之间，虚拟机分配的到堆内存空间已经用满。通过增加Java虚拟机中Xms（初始堆大小）和Xmx（最大堆大小）参数的大小。如 -Xms4G -Xmx4G 这个跟实际情况来设定。

2）在JDK7.0版本，字符串常量池被移到了堆中了。可以运行如下代码，会报异常信息：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

public class StringConstantPoolTest 
    public static void main(String[] args) 
        List<String> list = Lists.newArrayList();
        while (true) 
            list.add(String.valueOf(System.currentTimeMillis()).intern());

3)、在JDK8.0版本，字符串常量池放到元空间，运行如下代码，也会报异常信息：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space ：

public class StringConstantPoolTest 
    public static void main(String[] args) 
        List<String> list = Lists.newArrayList();
        while (true) 
            list.add(String.valueOf(System.currentTimeMillis()).intern());

看看java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space例子：

package com.demo.test.web;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class HeapOom 
    public static void main(String[] args) 
        List<byte[]> list = new ArrayList<byte[]>();
        int i = 0;
        boolean flag = true;
        while (flag)
            try 
                i++;
                list.add(new byte[1024 * 1024]);//每次增加一个1M大小的数组对象
            catch (Throwable e)
                e.printStackTrace();
                flag = false;
                System.out.println("count="+i);//记录运行的次数

我们设置堆内存的大小为16M，当运行到第15次，当无法申请空间时会抛出OutOfMemoryError：

第三种 java8 java.lang.OutOfMemoryError: Metadata space

java8的Metaspace 容量默认情况下，Metaspace类元数据只受可用的本地内存限制（容量取决于是32位或是64位操作系统的可用虚拟内存大小）。
新参数（MaxMetaspaceSize）用于限制本地内存分配给类元数据的大小。如果没有指定这个参数，元空间会在运行时根据需要动态调整。
如果设置-XX:MaxMetaspaceSize，当，Metaspace被耗尽；与JDK1.7运行时非常相似，报错：ERROR: java.lang.OutOfMemoryError: Metadata space。

这种情况一般不会遇到，很少人会手动设置java8的MaxMetaspaceSize参数。

第四种、StackOverflowError栈溢出

java方法被执行的时候都会同时创建栈帧（Stack Frame）.用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接，方法出口等信息。方法被调用到执行完成对的过程，就是相应对于栈帧在JVM从入栈到出栈的过程。当线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度是出现错误：StackOverflowError。

Java栈由栈帧组成，一个帧对应一个方法调用。虚拟机栈是一个LIFO的栈: 调用方法时压入栈帧，方法返回时弹出栈帧并抛弃。Java栈的主要任务是存储方法参数、局部变量、中间运算结果，并且提供部分其它模块工作需要的数据。
我们通过递归方法来测试栈的深度和栈溢出：

public class StackOverflowError 
    //使用计数器计算栈的深度
    private static int index = 1;
 
    //没有结束条件的递归导致死递归
    public void recursiveCall()
        index++;
        recursiveCall();
    
 
    public static void main(String[] args) 
        StackOverflowError stackOverflowError = new StackOverflowError();
        try 
            stackOverflowError.recursiveCall();
        catch (Throwable e)
            System.out.println("Stack deep : "+index);
            e.printStackTrace();

指定线程栈大小为-Xss128k，运行结果：

如果调整线程栈大小-Xss256k，深度也是不一样的：

第五种OutOfMemoryError：unable to create new native thread

1、错误现象：

2、错误原因

在网上看到的文章大致总结的原因如下：

1）服务器剩余内存不足（非JVM内存），不能创建新的线程。

能创建的线程数的具体计算公式如下：

Number of threads= (MaxProcessMemory - JVMMemory - ReservedOsMemory) / (ThreadStackSize)
MaxProcessMemory         指的是一个进程的最大内存
JVMMemory                JVM内存
ReservedOsMemory         保留的操作系统内存
ThreadStackSize          线程栈的大小

2）超出系统用户最大进程限制:
通过以下命令可以查看最大进程限制配置max user processes.（注意，不同用户的最大进程限制配置max user processes可能不一样）详细解读在我之前的总结文章《limit资源限制ulimit 详解》https://guisu.blog.csdn.net/article/details/46126249。

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