【Java开发】之 OOM 内存溢出

目录

• 一、OOM 简介
• 二、OOM 原因分析
• 三、OOM 类型及解决方法
  • 1、Java heap space
  • 2、GC overhead limit exceeded
  • 3、Permgen space
  • 4、Metaspace
  • 5、Unable to create new native thread
  • 6、Out of swap space
  • 7、Kill process or sacrifice child
  • 8、Requested array size exceeds VM limit
  • 9、Direct buffer memory

一、OOM 简介

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1、什么是 OOM ?

OOM，全称 Out Of Memory，意思是内存耗尽或内存溢出。对应Java 程序抛出的错为 java.lang.OutOfMemoryError，这个错误在官方的解释如下：

Thrown when the Java Virtual Machine cannot allocate an object because it is out of memory, and no more memory could be made available by the garbage collector.

意思就是说，当 JVM 因为没有足够的内存来为对象分配空间并且垃圾回收器也已经没有空间可回收时，就会抛出这个 error（注意：这错误并非 exception，因为这个问题已经严重到不足以被应用处理）。

二、OOM 原因分析

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1、发生 OOM 的原因

出现了 OOM 就表示内存耗尽了，出现这种情况主要原因为：

• 内存分配不足：分配给 JVM 虚拟机的内存过少（这是在启动时设置JVM参数来指定）；
• 应用程序问题：应用使用内存过多，并且用完后没有及时释放造成浪费，此时就会造成内存泄露或者内存溢出。

内存泄露与溢出：

• 内存泄露：申请使用完的内存没有释放，导致虚拟机不能再次使用该内存，此时就造成了内存泄露了；
• 内存溢出：申请的内存超出了 JVM 能提供的内存大小，此时称之为溢出。

2、OOM 的类型

在讲解OOM类型时，我们需要了解一下 JAVA 虚拟机的内存区域（关于更多JVM内存模型的知识可以参考我的另一篇博客：【Java开发】之 JVM 理论知识总结）：

• 程序计数器：当前线程执行的字节码的行号指示器，线程私有；
• JAVA虚拟机栈：Java方法执行的内存模型，每个Java方法的执行对应着一个栈帧的进栈和出栈的操作。
• 本地方法栈：类似JAVA虚拟机栈 ，但是为 native 方法的运行提供内存环境。
• JAVA堆：对象内存分配的地方，内存垃圾回收的主要区域，所有线程共享。可分为新生代，老生代。
• 方法区：用于存储已经被JVM加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。Hotspot 中的永久代。
• 运行时常量池：方法区的一部分，存储常量信息，如各种字面量、符号引用等。
• 直接内存：并不是JVM运行时数据区的一部分， 可直接访问的内存， 比如NIO会用到这部分。

除了程序计数器不会抛出OOM外，其他各个内存区域都可能会抛出OOM。常见的OOM情况有以下三种：

• java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space：Java 堆内存溢出，此种情况最常见，一般由于内存泄露或者堆的大小设置不当引起。对于内存泄露，需要通过内存监控软件查找程序中的泄露代码，而堆大小可以通过虚拟机参数 -Xms,-Xmx 等修改。
• java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space：Java 永久代溢出，即方法区溢出了，一般出现在大量 Class 或者 jsp 页面，或者采用 cglib 等反射机制的情况。因为上述情况会产生大量的 Class 信息存储于方法区。此种情况可以通过更改方法区的大小来解决，使用类似 -XX:PermSize=64m -XX:MaxPermSize=256m 的形式修改。另外，过多的常量尤其是字符串也会导致方法区溢出。
• java.lang.StackOverflowError：不会抛 OOM error，但也是比较常见的 Java 内存溢出。JAVA虚拟机栈溢出，一般是由于程序中存在死循环或者深度递归调用造成的，栈大小设置太小也会出现此种溢出。可以通过虚拟机参数 -Xss 来设置栈的大小。

3、分析 OOM

分析 OOM，我们需要借助 Heap Dump 文件（堆转储文件），它是一个 Java 进程在某个时间点上的内存快照，在触发快照的时候会保存 java 对象和类的信息。

要获得 dump 文件，可以采用如下两种方式：

• 设置 JVM 参数 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：设定该参数后，当发生 OOM 时会自动 dump 出堆信息（需要JDK5以上版本）。
• 使用JDK自带的jmap命令：jmap -dump:format=b,file=heap.bin ，其中 pid 可以通过 jps 命令获取。

dump 堆内存信息后，需要对 dump 文件进行分析，从而找到 OOM 的原因。常用的工具有：

• mat（eclipse memory analyzer）：基于eclipse RCP的内存分析工具。详细信息参见：http://www.eclipse.org/mat，推荐使用该工具。
• jhat：JDK 自带的 java heap analyze tool，可以将堆中的对象以 html 的形式显示出来，包括对象的数量，大小等等，并支持对象查询语言OQL。分析相关的应用后，可以通过 http://localhost:7000 来访问分析结果。

上面两种方式推荐使用 mat 而不推荐使用 jhat。因为在实际的排查过程中，一般是先在生产环境 dump 出文件来，然后拉到自己的开发机器上分析，所以，不如采用高级的分析工具 mat 来的高效。

其他工具：

• ARMS (阿里云 APM 产品, 支持 OOM 异常关键字告警)：https://help.aliyun.com/document_detail/42966.html；
• Alibaba Arthas (阿里 Java 在线诊断工具 Arthas）：https://github.com/alibaba/arth

三、OOM 解决方案

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1、 Java heap space

当堆内存 (Heap Space) 没有足够空间存放新创建的对象时, 就会抛出 java.lang.OutOfMemoryError:Javaheap space 错误，根据实际生产经验，可以对程序日志中的 OutOfMemoryError 配置关键字告警，一经发现，立即处理。

产生的原因：

Java heap space 错误产生的常见原因可以分为以下几类：

• 请求创建一个超大对象，通常是一个大数组；
• 超出预期的访问量或数据量，通常是上游系统请求流量飙升，常见于各类促销或秒杀活动，可以结合业务流量指标排查是否有尖状峰值；
• 过度使用终结器(Finalizer)，该对象没有立即被 GC；
• 内存泄漏(Memory Leak)，大量对象引用没有释放，JVM 无法对其自动回收，常见于使用了 File 等资源没有回收。

解决方法：

针对大部分情况，通常只需要通过 -Xmx 参数调高 JVM 堆内存空间即可。如果仍然没有解决，可以参考以下情况做进一步处理：

• 如果是超大对象，可以检查其合理性，比如是否一次性查询了数据库全部结果，而没有做结果数限制；
• 如果是业务峰值压力，可以考虑添加机器资源，或者做限流降级；
• 如果是内存泄漏，需要找到持有的对象，修改代码设计，比如关闭没有释放的连接。

2、GC overhead limit exceeded

当 Java 进程花费 98% 以上的时间执行 GC，但只恢复了不到 2% 的内存，且该动作连续重复了 5 次，就会抛出 java.lang.OutOfMemoryError:GC overhead limit exceeded 错误。简单地说，就是应用程序已经基本耗尽了所有可用内存，GC 也无法回收。

此类问题的原因与解决方案跟 Java heap space 类似。

3、Permgen space

该错误表示永久代 (Permanent Generation) 已用满，通常是因为加载的 class 数目太多或体积太大。

永久代存储对象主要包括:加载或缓存到内存中的 class 定义，包括类的名称、字段、方法和字节码；常量池；对象数组或类型数组所关联的 class；JIT 编译器优化后的 class 信息。

PermGen 的使用量与加载到内存的 class 的数量和大小成正相关。

解决方法：

根据 Permgen space 报错的时机，可以采用不同的解决方案:

• 程序启动报错，修改 -XX:MaxPermSize 启动参数，调大永久代空间。
• 应用重新部署时报错，很可能是没有应用没有重启，导致加载了多份 class 信息，只需重启 JVM 即可解决。
• 运行时报错，应用程序可能会动态创建大量 class，而这些 class 的生命周期很短暂，但是 JVM 默认不会卸载 class，可以设置 -XX:+CMSClassUnloadingEnabled 和 -XX:+UseConcMarkSweepGC 这两个参数允许 JVM 卸载 class。

如果上述方法无法解决则需要通过 dump 文件逐一分析开销最大的 classloader 和重复 class。

4、Metaspace

JDK 1.8 使用 Metaspace 替换了永久代(Permanent Generation)，该错误表示 Metaspace 已被用满，通常是因为加载的 class 数目太多或体积太大。

此类问题的原因与解决方法跟 Permgenspace 非常类似，可以参考上文。需要特别注意的是调整 Metaspace 空间大小的启动参数为 -XX:MaxMetaspaceSize。

5、Unable to create new native thread

每个 Java 线程都需要占用一定的内存空间，当 JVM 向底层操作系统请求创建一个新的 native 线程时，如果没有足够的资源分配就会报此错误。

产生此错误的原因有:

• 线程数超过操作系统最大线程数 ulimit 限制；
• 线程数超过 kernel.pid_max(只能重启)；
• native 内存不足；

解决方法：

• 升级配置，为机器提供更多的内存；
• 降低 Java Heap Space 大小；
• 修复应用程序的线程泄漏问题；
• 限制线程池大小；
• 使用 -Xss 参数减少线程栈的大小；
• 调高 OS 层面的线程最大数: 执行 ulimia-a 查看最大线程数限制，使用 ulimit-u xxx 调整最大线程数限制。

6、Out of swap space

该错误表示所有可用的虚拟内存已被耗尽。虚拟内存 (Virtual Memory) 由物理内存 (Physical Memory) 和交换空间 (Swap Space) 两部分组成。当运行时程序请求的虚拟内存溢出时就会报 Outof swap space? 错误。

常见原因：

• 地址空间不足；
• 物理内存已耗光；
• 应用程序的本地内存泄漏(native leak)，例如不断申请本地内存，却不释放。
• 执行 jmap-histo:live 命令，强制执行 Full GC； 如果几次执行后内存明显下降，则基本确认为 Direct ByteBuffer 问题。

解决方法:

• 升级地址空间为 64 bit；
• 使用 Arthas 检查是否为 Inflater/Deflater 解压缩问题，如果是，则显式调用 end 方法。
• Direct ByteBuffer 问题可以通过启动参数 -XX:MaxDirectMemorySize 调低阈值。
• 升级服务器配置或隔离部署，避免争用。

7、Kill process or sacrifice child

有一种内核作业 (Kernel Job) 名为 Out of Memory Killer，它会在可用内存极低的情况下 杀死(kill)某些进程。OOM Killer 会对所有进程进行打分，然后将评分较低的进程 杀死，具体的评分规则可以参考 Surviving the Linux OOM Killer。

不同于其他的 OOM 错误，Kill processor sacrifice child 错误不是由 JVM 层面触发的，而是由操作系统层面触发的。默认情况下，Linux 内核允许进程申请的内存总量大于系统可用内存，通过这种 “错峰复用” 的方式可以更有效的利用系统资源。

然而，这种方式也会无可避免地带来一定的 “超卖” 风险。例如某些进程持续占用系统内存，然后导致其他进程没有可用内存。此时，系统将自动激活 OOM Killer，寻找评分低的进程，并将其 “杀死”，释放内存资源。

解决方法：

• 升级服务器配置 / 隔离部署，避免争用。
• OOM Killer 调优。

8、Requested array size exceeds VM limit

JVM 限制了数组的最大长度，该错误表示程序请求创建的数组超过最大长度限制。JVM 在为数组分配内存前，会检查要分配的数据结构在系统中是否可寻址，通常为 Integer.MAX_VALUE - 2。

此类问题比较罕见，通常需要检查代码，确认业务是否需要创建如此大的数组，是否可以拆分为多个块，分批执行。

9. Direct buffer memory

Java 允许应用程序通过 Direct ByteBuffer 直接访问堆外内存，许多高性能程序通过 Direct ByteBuffer 结合内存映射文件 (Memory Mapped File) 实现高速 IO。

Direct ByteBuffer 的默认大小为 64 MB，一旦使用超出限制，就会抛出 Directbuffer memory 错误。

解决方案:

• Java 只能通过 ByteBuffer.allocateDirect 方法使用 Direct ByteBuffer，因此，可以通过 Arthas 等在线诊断工具拦截该方法进行排查。
• 检查是否直接或间接使用了 NIO，如 netty，jetty 等。
• 通过启动参数 -XX:MaxDirectMemorySize 调整 Direct ByteBuffer 的上限值。
• 检查 JVM 参数是否有 -XX:+DisableExplicitGC 选项，如果有就去掉，因为该参数会使 System.gc() 失效。
• 检查堆外内存使用代码，确认是否存在内存泄漏； 或者通过反射调用 sun.misc.Cleaner 的 clean() 方法来主动释放被 Direct ByteBuffer 持有的内存空间。
• 内存容量确实不足，升级配置。