JVM 内存溢出异常实例

发表于

在JVM规范的描述中，除了PC外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError(OOM)异常的可能性。为了对这些异常进一步理解，我们将通过若干实例来验证异常发生的场景，并且会介绍几个与内存相关的最基本的虚拟机参数。

其实写记录这篇文章的原因有2个：

  1. 通过代码验证Java虚拟机规范中描述的各个运行时区域存储的内容；
  2. 希望以后在工作中遇到实际的内存溢出异常是，能根据异常的信息快速判断是那个区域的内存溢出，知道什么样的代码可能会导致这些区域内存溢出，以及出现异常后该如何处理。

首先，为了避免每次启动程序都需要手动敲入JVM参数，我们用Intellij IDEA来测试，并且在RUN/DEBUG Configurations---VM options中键入(参数说明请看这里：JVM-参数分析)

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

如下图。
在Intellij IDEA中设置虚拟机参数

Java堆溢出

Java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GC来清除这些对象，那么在对象数量达到最大堆的容量限制后就回产生内存溢出异常。

在下面的代码中，我们限制饿了Java堆的大小为20M，不可扩展(将堆的初始值-Xms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:+HeapDumpOnOutOfMemoeyError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。

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package com.archerda.oom;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
 * VM options: -Xms20m -Xmx20m -XX:HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * Created by Archerda on 15/9/20.
 */
public class HeapOOM {
    static class OOMObject {
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

输出结果：

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java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid23366.hprof ...
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Heap dump file created [27701731 bytes in 0.202 secs]

Java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堆内存溢出异常时，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Jstat工具来分析下。首先找到堆转储文件java_pid23366.hprof，默认在工程的根目录下，也可以通过-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoeyError=< file-path >来指定。然后运行jstat java_pid23366.hprof，jstat分析完成后会生成html文件并启动服务器，我们访问默认端口localhost:7000打开分析结果页面，默认会显示功能列表，我们主要关注的是有多少个实例存在导致了内存异常，所以我们点击链接Show instance counts for all classes (excluding platform)。如下图。

然后会调到下面这个页面，从这张图中我们可以很清晰的看见堆中竟然存在810326个OOMObject对象，由此问题的根源就显而易见了。

除了用jstat这个命令行工具外，我们还可以使用jvisualvm这个可视化工具来分析，只要把.hprof文件导入进去就可以了。如下图。
利用jvisualvm分析堆转储文件

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GC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参数(-Xms与-Xmx)，与物理机内存对比看是否还可以调大，从代码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，尝试减少程序运行时期的内存消耗。

虚拟机栈和本地方法栈溢出

由于在HotSpot虚拟机中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，但是毫无意义，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2中异常：

  1. 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；
  2. 如果虚拟机在扩展时无法申请到足够的内存空间，将抛出OutOfMemoryError异常；

这里把异常分为2中情况，看似更加严谨，但却存在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，其本质上都是对同一件事情的两种描述而已。

在实验中，将范围限制于单线程中的操作，尝试了下面2中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，测试代码如下：

  1. 使用-Xss参数减少栈内存容量。结果：抛出StackOverflowError异常，异常出现时将输出栈的深度；
  2. 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。
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package com.archerda.oom;
/**
 * VM Options: -Xss160k
 * Created by Archerda on 15/9/20.
 */
public class JavaVMStackOF {
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }
    public static void main(String[] args) throws Throwable{
        JavaVMStackOF oom = new JavaVMStackOF();
        try {
            oom.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("stack length: " + oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

输出结果：

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stack length: 751
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at com.archerda.oom.JavaVMStackOF.stackLeak(JavaVMStackOF.java:11)
	at com.archerda.oom.JavaVMStackOF.stackLeak(JavaVMStackOF.java:12)
...后面省略

结果表明：在单个线程的情况下，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。

方法区和运行时常量池溢出

由于运行时常量池是方法区的一部分，因此这2个区域的溢出测试就放在一齐进行。之前说过JDK1.7开始逐步”去永久代”的事情，在此就以测试代码观察一下这件事对程序的实际影响。

String.intern()是一个native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含了一个等于此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，并且返回此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:MaxPernSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量。

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package com.archerda.oom;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
 * JDK 1.6中有效，JDK1.7中无效。
 * VM Options: -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m
 * Created by Archerda on 15/9/20.
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>(); // 使用List保持常量池的引用，避免FullGC回收常量池行为.
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i).intern()); // 10MB的PermSize在integer范围内足够产生OOM了.
        }
    }
}

运行结果：

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

从运行结果中可以看出，运行时常量池溢出，在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是”PermGen space“，说明运行时常量池属于方法区(HotSpot虚拟机中的永久代)的一部分。

而使用JDK1.7运行这段程序就不会等到相同的结果，while循环将一直循环下去。关于这个字符串常量池的实现问题，还可以引申出一个有意思的影响，看如下代码：

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package com.archerda.oom;
/**
 * Created by Archerda on 15/9/20.
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);
        String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }
}

JDK1.6运行结果:

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false
false

JDK1.7运行结果：

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true
false

分析：

在1.6中，intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到常量池中，返回的也是常量池中的这个字符串实例的引用，而StringBuilder创建的字符串在堆上，所有必然不是同一个引用，所以2个都是false。

而在1.7中，intern()实现不会再复制，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串是同一个。对于str2比较返回是false是因为”java”这个字符串在执行StringBuilder.toString()之前已经出现过(？？？哪里出现了卧槽，虚拟机加载的关键字么，可是pack+age还是返回true啊)，字符串常量池已经有它的引用了，不符合“首次出现”的原则，而“计算机软件”这个字符串是首次出现的。

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，基本的思路是运行时生成大量的类去填满方法区，直到溢出。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)，但我们这次使用CGLib直接操作字节码运行时生成大量的动态类。

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package com.archerda.oom;
import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;
import java.lang.reflect.Method;
/**
 * Created by Archerda on 15/9/20.
 */
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 o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                    return methodProxy.invokeSuper(o, objects);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }
    static class OOMObject {
    }
}

运行结果：

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Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PernGen space
    at...

值得注意的是，我们在这个例子中的模拟场景并不是一个纯碎的实验，这样的应用经常会出现在实际的应用之中：当前很多主流的框架，如Spring、Hibernate，在对类进行增强的时候，都是使用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。

方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常，一个类要被GC回收掉，判定条件是比较苛刻的。在经常动态生成大量Class的应用中，需要特别注意类的回收情况。这类场景除了CGLib字节码增强之外，常见的还有：大量JSP或动态产生JSP文件的应用（JSP第一次运行需要被编译为Java类）、基于OSGi的应用（即使是同一个类文件，被不同的类加载器加载会视为不同的类）等。

参考文档