[JVM]OOM实例分析

• 深入理解Java虚拟机

  • [JVM]Java内存区域与垃圾收集 - 思维导图
  • [JVM]类加载机制 - 思维导图
  • [JVM]OOM实例分析
  • [JVM]理解Class文件(1)：手动解析常量池
  • [JVM]理解GC日志
  • [JVM]理解Class文件(2)

• 引言

本文内容总结自《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第2版）》中的第2章。

• 通过设置虚拟机的启动参数来模拟内存区域溢出的情况
• 通过异常信息判断出是哪个内存溢出了，知道什么样的代码可能会导致内存溢出

Java内存区域

• 设置虚拟机的启动参数

  在使用代码进行验证之前，我们需要先了解如何设置虚拟机的启动参数，设置方法有两种。

• 使用命令行执行程序时
  使用命令行运行程序时，直接在java后面跟上参数和程序名称

D:\>javac HeapOOM.java

D:\>java HeapOOM

D:\>java -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError HeapOOM
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid9512.hprof ...
Heap dump file created [27898328 bytes in 0.121 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
        at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2245)
        at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2219)
        at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:242)
        at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:216)
        at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:208)
        at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:440)
        at HeapOOM.main(HeapOOM.java:16)

• 使用IDE执行程序时
  直接在VM Arguments中设置

使用IDE执行程序

• Java堆溢出

• VM arguments
  设置Java堆的大小20MB，将堆的最小值-Xms参数和最大值-Xmx参数设置为一样，避免堆自动扩展。通过设置参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，在发生内存异常时可以生成堆转存储的dump文件，通过Eclipse Memory Analyzer (MAT)工具可以分析该文件。

 VM Args:
 -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError  

Option	Description
-Xms20M -Xmx20M	to specify that a maximum heap size of 20 Mbytes
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError	Dump heap to file when java.lang.OutOfMemoryError is thrown

• Code
  根据Java内存区域可知，通过new指令创建的对象是放到Java堆中的。下面这段代码的功能就是一直在创建OOMObject对象，当OOMObject对象占用大小超出设置的20M时，就会报出OutOfMemoryError异常，并提示发生异常的区域为"Java heap space"

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * VM Args:-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError  
 */
public class HeapOOM {
    static class OOMObject {

    }

    public static void main(String[] agrs) {
        List list = new ArrayList();

        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

• Output
  发生异常后生产的dump文件的默认名称为"java_pid进程id.hprof"，默认生成路径为工程的根目录

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid9512.hprof ...
Heap dump file created [15782234 bytes in 0.074 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2760)
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2734)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacity(ArrayList.java:167)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:351)
    at HeapOOM.main(HeapOOM.java:16)

使用MAT打开 java_pid9512.hprof，可以生成一个分析报告

使用MAT打开 java_pid9512.hprof

点击进入Dominator Tree界面，可以将对象占用Heap大小进行排序，由下图可以看出main thread里面生成了很多HeapOOM$OOMObject对象，导致暂用了97.49%的内存。

Dominator Tree

• 虚拟机栈溢出

• VM arguments
  使用-Xss参数减少栈内存的容量

 VM Args:
 -Xss128k

• Code
  stackLeak()方法不断地自己调用自己，导致栈帧的深度一直在增加，当超出栈内存容量时，将会抛出java.lang.StackOverflowError异常

/**
 * VM Args:-Xss128k
 */
public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;

    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    /**
     * @param args
     * @throws Throwable
     */
    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        // TODO Auto-generated method stub
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try {
            oom.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            // TODO: handle exception
            System.out.println("stack length : " + oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }

}

• Output

stack length : 11432
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:8)
    at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:9)
    at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:9)
    ... ...

• 方法区和运行时常量池异常

运行时常量池是方法区的一部分，而方法区属于"永久代"（PermGen space）

• VM arguments
  通过-XX:PermSize和 -XX:MaxPermSize限制永久代的大小

  VM Args:
  -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M

• Code
  String.intern()的作用：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，则返回常量池中这个字符串的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。
  下面这段代码一直在往常量池中添加字符串，直到超出常量池的容量。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * VM Args:-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        List list = new ArrayList();
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }

}

• Output

• JDK 1.6及之前的版本中，常量池分配在永久代内，可以通过-XX:PermSize和 -XX:MaxPermSize限制永久代的大小，当常量池超出容量时，会抛出异常"Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space"

• 由于JDK 1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代中的字符串常量池移除，因此使用JDK 1.7运行这段代码时不会抛出异常，while循环将一直进行下去

JDK 1.6和JDK 1.7运行结果不同

• 本机直接内存溢出

• VM arguments
  DirectMemory容量可以通过MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆最大值一样(-Xmx指定)

 VM Args: 
-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M

• Code
  通过Unsafe对象的allocateMemory方法申请直接内存，当超出DirectMemory容量时，抛出异常java.lang.OutOfMemoryError

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 IllegalArgumentException,
        IllegalAccessException {
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeField.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
        while (true) {
            unsafe.allocateMemory(_1MB);
        }
    }
}

• Output

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
        at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
        at DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:16)

• 参考

  • 深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第2版）
  • Configuring the Default JVM and Java Arguments
  • Java HotSpot VM Options