深入理解JVM虚拟机(四)：OutOfMemory实战

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-03-16 01:57 207阅读 0赞

> 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。

原文大部分拷贝自：[https://my.oschina.net/itblog/blog/667182][https_my.oschina.net_itblog_blog_667182]

#### Java堆溢出 ####

**案例**

package com.example.activemq.jvm;
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    // VM Args:-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
    public class HeapOOM {
        public static void main(String[] args) {
            List<OOMbject> list = new ArrayList<>();
            while (true) {
                list.add(new OOMbject());
            }
        }
    }

**结果**

Dumping heap to java_pid5529.hprof ...
    Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
    	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
    	at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:265)
    	at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:239)
    	at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:231)
    	at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:462)
    	at com.example.activemq.jvm.HeapOOM.main(HeapOOM.java:11)
    Heap dump file created [12958024 bytes in 0.044 secs]
    
    Process finished with exit code 1

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 ####

**先了解栈深度和栈帧大小问题**  
[java 栈 最大深度][java _]  
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，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种异常：

*  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
 *  如果虚拟机在扩展时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常

下面这个例子，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需积极产生OutOfMemoryError异常，尝试的结果都是获得StackOverflowError异常：

*  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
 *  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。

package com.example.activemq.jvm;
    /**
     * VM Args: -Xss128K
     */
    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;
            }
        }
    }

**异常**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTAzMTYxODg_size_16_color_FFFFFF_t_70]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，反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，譬如32位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。

这一点需要在开发多线程的应用时特别注意，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，所以只能说在大多数情况下）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了。如果没有这方面的处理经验，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。

以下代码通过创建多线程导致内存溢出异常：

package com.example.activemq.jvm;
    /**
     * VM Args: -Xss128K
     */
    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;
            }
        }
    }

注意：特别提示一下，如果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的线程时映射到操作系统的内核线程上的，因此上述代码执行时有较大风险，可能会导致操作系统假死。  
**异常**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTAzMTYxODg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

#### 方法区和运行时常量池溢出 ####

由于运行时常量池是方法去的一部分，因此这两个区域的溢出测试可以放在一起进行。

String.intern()方法是一个native方法，它的作用是：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。 在JDK1.6及之前的版本中，由于常量池分配在永久代中，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：

package com.example.activemq.jvm;
    
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    
    /**
     * 设置方法区的大小
     * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
     * 在jdk1。8上面的参数已经不生效了，需要改成下面这样的形式
     * -Xmx256m -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m -Xss2m
     */
    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<>();
            //10MB的PermSize在int范围内足够产生OOM了
            int i = 0;
            while (true) {
                //调用intern方法，将字符串全部放在常量池中
                list.add(String.valueOf(i++).intern());
            }
        }
    }

用的是JDK1.8，本机电脑没有JDK1.6  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTAzMTYxODg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
**上面方法虽然抛出内存溢出了，但是看不出来是不是方法区益处了，这里没有用jdk1.6测试，下次试一下。**

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。对于这些区域的测试，基本的思路是运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。这里借助CGLib直接操作字节码运行时生成了大量的动态类。

值得注意的是，我们在这个例子中模拟的场景并非纯粹是一个实验，这样的应用经常会出现在实际应用中：当前很多主流框架如Spring、Hibernate，在对类进行增强时，都会使用到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可以载入内存。另外，JVM上的动态语言（例如Groovy等）通常都会持续创建类来实现语言的动态性，随着这类语言越来越流行，也越来越容易遇到以下代码类似的溢出场景：

package com.example.activemq.jvm;
    import org.springframework.cglib.proxy.Enhancer;
    import org.springframework.cglib.proxy.MethodInterceptor;
    import org.springframework.cglib.proxy.MethodProxy;
    import java.lang.reflect.Method;
    /**
     -Xmx256m -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m -Xss2m
     */
    public class JavaMethodAreaOOM {
        public static void main(String[] args) {
            while (true) {
                Enhancer e = new Enhancer();
                e.setSuperclass(OOMbject.class);
                e.setUseCache(false);
                e.setCallback(new MethodInterceptor() {
                    public Object intercept(Object obj, Method method,
                                            Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
                        return proxy.invokeSuper(obj, args);
                    }
                });
                e.create();
            }
        }
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTAzMTYxODg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
方法区的溢出是一种常见的内存溢出异常，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。这类除了上面提到的程序使用了CGLib字节码增强和动态语言之外，常见的还有：还有大量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。

#### 本机直接内存溢出(这个我测试并没有抛出书里面说的异常，我用的是jdk1.8，直接内存的设置应该也不是这样的，代码先贴着，下次测试一下jdk1.6) ####

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，下面的代码越过了`DirectByteBuffer`类，直接通过反射获取Unsafe实例进行内存分配（Unsafe类的getUnsafe()方法限制了只有引导类加载器才会返回示例，也就是设计者希望只有rt.jar中的类才能使用Unsafe的功能）。因为虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常，但它抛出异常时并没有真正向操作系统申请分配内存，而是通过计算得知无法分配，于是手动抛出异常，真正申请分配内存的方法是unsafe.allocateMemory()。

package com.example.activemq.jvm;
    import java.lang.reflect.Field;
    import sun.misc.Unsafe;
    /**
     * VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
     */
    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);
            }
        }
    }

**这里我并没有测试抛出异常。。。。**

由DirectMemory导致的内存溢出，一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见明显的异常，如果发现OOM之后文件很小，而程序中有直接或简介使用了NIO，那就可以考虑一下是不是这方面的原因。

[https_my.oschina.net_itblog_blog_667182]: https://my.oschina.net/itblog/blog/667182
[java _]: https://www.cnblogs.com/rocky-fang/p/8367018.html
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