记一次ArrayList产生的线上OOM问题

Posted 2022-04-13 developer_chan

前言：本以为(OutOfMemoryError)OOM问题会离我们很远，但在一次生产上线灰度的过程中就出现了Java.Lang.OutOfMemoryError:Java heap space异常，通过对线上日志的查看，最终定位到ArrayList#addAll方法中，出现这个问题的原因是：由于历史原因有个接口的响应时间经常超时，所以笔者对其进行了优化，之前使用的是ArrayList#add方法，笔者通过一系列修改后将add方法修改为了addAll方法，导致内存溢出。但具体是怎样产生的呢，下面对其详细分析。

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ArrayList的内部原理

谈起ArrayList想必大家在日常中经常使用，用于存储一系列的元素。由于笔者在使用过程中出现了OOM异常，这里有必要对其内部原理进行简单的分析：

#1.ArrayList底层采用数组来存储数据，查找速度快，毕竟直接使用数组下标进行数据的查找。这里有一点特别重要其内部的数据存储结构为数组。

#2.数组：数组是一种线性表数据结构，它是一组连续的内存空间。注意：一组连续的内存空间，这就意味着在申请数组时如果不能满足连续的内存空间，哪怕是内存足够也会导致OOM问题。

#3.ArrayList的默认容量为10，超过10时，会进行扩容：int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);相当于扩大为原来的1.5倍。其扩容函数如下：

 1  private void grow(int minCapacity) 
 2         // overflow-conscious code
 3         // 获得当前ArrayList的大小
 4         int oldCapacity = elementData.length;
 5         // 进行扩容，扩大为原来的1.5倍，那为什么不直接*1.5呢，因为位操作速度更快
 6         int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
 7         // minCapacity参数为扩容前确认的数组大小参数，将在下面进行分析
 8         // 如果新容量比minCapacity小，说明容量不够，则使用minCapacity
 9         if (newCapacity - minCapacity < 0)
10             newCapacity = minCapacity;
11         // 如果newCapacity大于最大ArrayList承受的最大值，则计算最大值    
12         if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
13             newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
14         // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
15         // 进行扩容
16         elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
17     

分析：上述扩容函数涉及到几个变量minCapacity、MAX_ARRAY_SIZE，下面将对其进行解释。

关于minCapacity变量通过ArrayList#addAll函数进行分析(add函数其实一样)：

 1     public boolean addAll(Collection<? extends E> c) 
 2         Object[] a = c.toArray();
 3         // 获取要插入集合的长度
 4         int numNew = a.length;
 5         // 确认容量大小，扩容也就是在该函数中进行操作
 6         ensureCapacityInternal(size + numNew);  // Increments modCount
 7         // 将要插入的数据拷贝至数组尾部
 8         System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
 9         size += numNew;
10         return numNew != 0;
11     

 1     private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) 
 2         ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
 3     
 4 
 5     private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) 
 6         modCount++;
 7 
 8         // overflow-conscious code
 9         // 所需容量大于当前数组容量，则进行扩容
10         if (minCapacity - elementData.length > 0)
11             grow(minCapacity);
12     

分析：

#1.ArrayList的扩容入口就是ensureCapacityInternal函数，其入参为当前ArrayList存储容量与要处理集合容量的和。

#2.然后通过calculateCapacity函数进行容量确认：

1    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) 
2         // 如果当前数组为空，则从默认值(10)与minCapacity（当前ArrayList容量+要插入集合容量之和）中取最大值
3         if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) 
4             return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
5         
6         // 否则直接返回minCapacity
7         return minCapacity;
8     

#3.在ensureExplicitCapacity函数中进行具体扩容，也就是调用grow函数。

在grow函数中有一个变量需要注意一下MAX_ARRAY_SIZE：

注释已讲的非常清楚：尝试去分配最大容量的数组内存也许会造成OOM异常。

还有这里为什么要用Integer.MAX_VALUE-8呢，因为数组在虚拟机中存储时需要8字节来存储其自身的大小。

#4.ArrayList的扩容是通过Array.copyOf函数进行的：

 1   public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) 
 2         // original需要被拷贝的原数据集合
 3         // newLength新的数组长度
 4         return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
 5     
 6    public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) 
 7         @SuppressWarnings("unchecked")
 8         // 申请内存空间,如果这里没有连续的内存空间，则会抛出OOM异常
 9         T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
10             ? (T[]) new Object[newLength]
11             : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
12         // 将原数组拷贝到新空间中
13         System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
14                          Math.min(original.length, newLength));
15         return copy;
16         

分析：

关键在上述代码第8行中，申请新的内存空间，由于是数组，需要连续的内存空间，如果当前无连续的内存空间，哪怕内存足够也会抛出OOM异常。

通过对ArrayList的源码分析，就可以得出出现OOM原因的关键点了。这里贴上当时灰度环境JVM的堆内存走势图：

从图上可以清楚的看到堆内存从0直接飙到了2G，在2G后出现了OOM异常，并且此时JVM进行了垃圾回收，幸好没有把当前节点拖崩，万幸！！！

在同样的数据量下为什么用add未抛OOM异常，而用addAll确抛了OOM异常呢

在同样数据量的情况下，之前的代码使用了ArrayList#add方法未出现问题，而使用ArrayList#addAll方法却抛出了OOM异常呢，通过源码进行比较：

ArrayList#add:

ArrayList#addAll

通过对源码进行比较可知，ArrayList#add方法每次确认容量是size+1,而ArrayList#addAll每次是size+numNew(要插入的容量)。在ArrayList#add方法插入数据进行扩容时，每次都是扩容器为其1.5倍，而ArrayList#addAll不确定，需要依据numNew大小。

在使用ArrayList#addAll方法时，如果插入集合的过大，而且该方法处于循环中，就会导致扩容非常的频繁，在JVM未来得及进行垃圾回收的情况下，就会导致OOM异常。

最终的解决方法：在初始化ArrayList的时候，尽量知道所需存储元素的容量或者避免其频繁扩容，就有很大的机会避免OOM异常，笔者的解决方法就是如此，以为通过其他途径得知了每次的ArrayList大小，最终解决了这个问题，由于是公司代码，这里就不贴具体代码了，其实在灰度时也把我吓了一跳。

总结

本文来源于笔者在生产环境中遇到的问题（线上数据量太大，在QA环境中并为出现该问题），通过对ArrayList源码的分析，最终找到问题出现的核心点，通过及时的修改，再次上线后该问题得到解决，因此特别记录下该问题，并以此为戒。

#1.在使用ArrayList的时候，尽量对其进行容量大小的初始化，避免其频繁扩容，造成OOM异常，线上出现该问题真的很恐怖。

#2.出现问题也不要过于惊慌，及时发现问题，并解决，也许你会有不小的收获。

#3.本次问题幸好出现在灰度环境，并未全量，这是不幸中的万幸，下次一定注意、注意、注意！！！

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by Shawn Chen，2019.07.14日，下午。