JVM-内存溢出OutOfMemoryError

Posted 2020-10-04

一、内存溢出OutOfMemoryError

(1)java堆溢出

①Java堆用于存储对象实例，只要不断地创建对象，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清除这些对象，那么在对象数量到达最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。

代码清单1中代码限制Java堆的大小为20MB，不可扩展（将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为一样即可避免堆自动扩展），通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析。

代码清单1:

/**
 * 
 * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * 
 * @author wl
 */

public class Test {

    static class OMMObject {

    }

    public static void main(String[] args) {

        List<OMMObject> list = new ArrayList<OMMObject>();

        while (true) {

            list.add(new OMMObject());

        }

    }

}

 

②Java堆内存的OOM异常是实际应用中常见的内存溢出异常情况。当出现Java堆内存溢出时，异常堆栈信息“java.lang.OutOfMemoryError”会跟着进一步提示“Java heap space”。

要解决这个区域的异常，一般的手段是先通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）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，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）。图2-5显示了使用Eclipse Memory Analyzer打开的堆转储快照文件。Run--->Debug Configurations

 

 

 

 

 

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。于是就能找到泄露对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄露对象的类型信息及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄露代码的位置。

如果不存在泄露，换句话说，就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数（-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。

（2）java虚拟机栈和本地方栈溢出

①由于在HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此对于HotSpot来说，-Xoss参数（设置本地方法栈大小）虽然存在，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，在Java虚拟机规范中描述了两种异常：

(a)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。

(b)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这里把异常分成两种情况看似更加严谨，但却存在着一些互相重叠的地方：当栈空间无法继续分配时，到底是内存太小，还是已使用的栈空间太大，其本质上只是对同一件事情的两种描述而已。

如果将实验范围限制于单线程中的操作，尝试了下面两种方法均无法让虚拟机产生OutOfMemoryError异常，尝试的结果都是获得StackOverflowError异常，测试代码如代码清单2所示。

(a)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深度相应缩小。

(b)定义了大量的本地变量，增加此方法帧中本地变量表的长度。结果：抛出StackOverflowError异常时输出的栈深度相应缩小。

代码清单2:

/**
 * 
 * VM Args：-Xss128k
 * 
 * @author wl
 */

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 (Throwable e) {

            System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);

            throw e;

        }

    }

}

 

实验结果表明：在单个线程下，无论是由于栈帧太大，还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是 StackOverflowError异常。如果测试时不限于单线程，通过不断地建立线程的方式倒是可以产生内存溢出异常，如代码清单3所示。

代码清单3

/**
 * 
 * VM Args:-Xss2M
 * 
 * @author wl
 */

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();

    }

}

 

注意　特别提示一下，如果读者要尝试运行上面这段代码，记得要先保存当前的工作，由于在Windows平台的虚拟机中，Java的线程是映射到操作系统的内核线程上的，所以上述代码执行时有较大的风险，可能会导致操作系统假死

但是，这样产生的内存溢出异常与栈空间是否足够大并不存在任何联系，或者准确地说，在这种情况下，给每个线程的栈分配的内存越大，反而越容易产生内存溢出异常。
原因其实不难理解，操作系统分配给每个进程的内存是有限制的，譬如32位的Windows限制为2GB。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2GB（操作系统限制）减去Xmx（最大堆容量），再减去MaxPermSize（最大方法区容量），程序计数器消耗内存很小，可以忽略掉。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。每个线程分配到的栈容量越大，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。这一点读者需要在开发多线程应用的时候特别注意，出现StackOverflowError异常时有错误堆栈可以阅读，相对来说，比较容易找到问题的所在。而且，如果使用虚拟机默认参数，栈深度在大多数情况下（因为每个方法压入栈的帧大小并不是一样的，所以只能说大多数情况下）达到1000～2000完全没有问题，对于正常的方法调用（包括递归），这个深度应该完全够用了。但是，如果是建立过多线程导致的内存溢出，在不能减少线程数或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。如果没有这方面的经验，这种通过“减少内存”的手段来解决内存溢出的方式会比较难以想到。

(3)运行时常量池溢出

如果要向运行时常量池中添加内容，最简单的做法就是使用String.intern()这个native方法。该方法的作用是：如果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。由于常量池分配在方法区内，我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小，从而间接限制其中常量池的容量。

代码清单4：

 

/**
 * 
 * VM args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * 
 *
 */

public class RuntimeConstantPoolOOM {

    public static void main(String[] args) {

        // 使用List保持着常量池引用，避免FullGC回收常量池行为

        List<String> list = new ArrayList<String>();

        int i = 0;

        while (true) {

            list.add(String.valueOf(i++).intern());

        }

    }

}

 

(4) 方法区溢出

   方法去用于存放Class的相关信息，如：类名，访问修饰符，常量池，字符描述，方法描述等。对于这个区域的测试，基本思路是运行时产生大量的类去填满方法区，知道溢出。虽然直接使用Java SE API也可以动态产生类（如反射时的GeneratedConstructorAccessor和动态代理等），但在本次试验使用CGLIB直接操作字节码运行时，生成大量的动态类。值得注意的是，当前主流的很多框架 如：Spring,Hibernate对类进行增强时，都会使用到类似CGLIB这类字节码技术，增强的类越多，就需要越大的方法区来保证动态生成的Class可以加载如内存。

 　　

/**
 * 
 * VM args -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */

public class JavaMethodAreaOOM {

    public static void main(String[] args) {

        while (true) {

            Enhancer enhancer = new Enhancer();

            enhancer.setSuperclass(OOM.class);

            enhancer.setUseCache(false);

            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {

                @Override
                public Object intercept(Object obj, Method arg1, Object[] args,
                        MethodProxy proxy) throws Throwable {

                    return proxy.invokeSuper(obj, args);

                }

            });

            OOM oom = (OOM) enhancer.create();

            oom.sayHello("Kevin LUAN");

        }

    }

    static class OOM {

        public String sayHello(String str) {

            return "HI " + str;

        }

    }

}

 

方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常，一个类如果要被垃圾回收器回收掉，判定条件非常苛刻，在经常动态生成大量Class的应用中，需要特别注意类的回收状况。这类场景除了上面提到的程序使用GCLIB字节码增强外，常见的还用JSP或动态产生JSP文件的应用（JSP第一次运行时需要编译为JAVA类），基于OSGI的应用（即使是同一个类文件，被不同的加载器加载也会视为不同的类）等。增加JVM 参数 来快速定位下 Class load ，来定位下。-XX:+TraceClassLoading -XX:+TraceClassUnloading

输出格式：[Loaded sun.rmi.server.LoaderHandler from /usr/local/java/jdk1.7.0/jre/lib/rt.jar]可以方便定位出增加的CLASS

 

(5)本地直接内存溢出

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。

/**
 * 
 * VM Args：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 * 
 * @author wl
 */

public class DirectMemoryOOM {

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];

        unsafeField.setAccessible(true);

        Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);

        while (true) {

            unsafe.allocateMemory(_1MB);

        }

    }

}