OutOfMemory实战《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》笔记三

参考：

• 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》2.4小节
• https://cread.jd.com/read/startRead.action?bookId=30189426&readType=1

Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例，只要不断的创建对象，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来清除这些对象，那么对象数量到达最大堆容量限制后就会产生内存溢出异常。

下面代码中，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。

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

    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

输出：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid15684.hprof …
Heap dump file created [28469914 bytes in 0.562 secs]
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:261)
at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
at com.hhmedic.edcadmin.admin.jvm.HeapOOM.main(HeapOOM.java:17)

虚拟机栈和本地方法栈溢出

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周异常：

• 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。

/**
 * 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;
        }
    }
}

输出：

stack length:2276
Exception in thread “main” java.lang.StackOverflowError
at com.hhmedic.edcadmin.admin.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
at com.hhmedic.edcadmin.admin.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
at com.hhmedic.edcadmin.admin.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
at com.hhmedic.edcadmin.admin.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
at com.hhmedic.edcadmin.admin.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
at com.hhmedic.edcadmin.admin.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
at com.hhmedic.edcadmin.admin.jvm.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)

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：

/**
 * VM Args: -Xss2M(这时候不妨设置大些)
 */
public class JavaVMStackOOM {

    private void dontStop() {
        while(true) {}
    }
    
    public void stackLeakByThread() {
        while(true) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                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。

输出：

方法区和运行时常量池溢出

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

/**
 * 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Full GC 回收常量池行为
        List 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());
        }
    }
}

运行结果（JDK1.6 HotSpot JVM）：

从运行结果中可以看到，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。

JDK1.8中JVM把String常量池移入了堆中，同时取消了“永久代”，改用元空间代替（Metaspace）
JDK1.8的运行结果：

Java HotSpot™ 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10M; support was removed in 8.0
Java HotSpot™ 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10M; support was removed in 8.0

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。

本机直接内存溢出

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，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()。

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);
        }
    }
}

运行结果：

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。

JDK8 元空间（MetaSpace）

JDK8 HotSpot JVM 将移除永久区，使用本地内存来存储类元数据信息并称之为：元空间（Metaspace）；这与Oracle JRockit 和IBM JVM’s很相似，如下图所示

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