从OOM到JVM内存分配

java环境

$ java -version
java version "1.8.0_161"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_161-b12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.161-b12, mixed mode)

构造OOM条件

1. 设置JVM堆大小,固定40M

-Xmx40m
-Xms40m

2. 设置打印GC信息

配置JVM调试参数

-XX:+PrintGCTimeStamps 
-XX:+PrintGCDetails  // 在GC时打印GClog，且在进程退出后输出内存各区域的内存分布情况
-Xloggc:/tmp/gc.log //设置gclog输出的path

测试参数效果

public static void main(String[] args) {
    // 在新生代分配对象
    Runtime r = Runtime.getRuntime();
    System.out.println("xms: " + r.totalMemory() / 1024 + "KB");// Xms
    System.out.println("xmx: " + r.maxMemory() / 1024 + "KB");// Xmx
    System.out.println("free:" + r.freeMemory() / 1024 + "KB");
    
    // 直接在老年代分配内存。老年代空间 50/3*2 ~= 33.3M
    byte[] b = new byte[3 * 1024 * 1024];// 创建一个3M左右大小的数组

}

查看GC输出log：

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.161-b12) for bsd-amd64 JRE (1.8.0_161-b12), built on Dec 19 2017 16:22:20 by "java_re" with gcc 4.2.1 (Based on Apple Inc. build 5658) (LLVM build 2336.11.00)
Memory: 4k page, physical 8388608k(865508k free)

/proc/meminfo:

CommandLine flags: -XX:InitialHeapSize=41943040 -XX:MaxHeapSize=41943040 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseParallelGC 
Heap // 进程退出后的内存情况
 PSYoungGen      total 11776K, used 4120K [0x00000007bf300000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 10240K, 40% used [0x00000007bf300000,0x00000007bf706268,0x00000007bfd00000)
  from space 1536K, 0% used [0x00000007bfe80000,0x00000007bfe80000,0x00000007c0000000)
  to   space 1536K, 0% used [0x00000007bfd00000,0x00000007bfd00000,0x00000007bfe80000)
 ParOldGen       total 27648K, used 0K [0x00000007bd800000, 0x00000007bf300000, 0x00000007bf300000)
  object space 27648K, 0% used [0x00000007bd800000,0x00000007bd800000,0x00000007bf300000)
 Metaspace       used 2901K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 288K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

从GClog显然可以看出来，没有发生GC，且数组是分配在Eden中的，从ParOldGen used 0K可以明显看出来。说明数组的大小没有达到在老年代直接分配的阈值。

当修改数组大小为10M时，得到GC结果如下：

Heap
 PSYoungGen      total 11776K, used 1048K [0x00000007bf300000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 10240K, 10% used [0x00000007bf300000,0x00000007bf406258,0x00000007bfd00000)
  from space 1536K, 0% used [0x00000007bfe80000,0x00000007bfe80000,0x00000007c0000000)
  to   space 1536K, 0% used [0x00000007bfd00000,0x00000007bfd00000,0x00000007bfe80000)
 ParOldGen       total 27648K, used 10240K [0x00000007bd800000, 0x00000007bf300000, 0x00000007bf300000)
  object space 27648K, 37% used [0x00000007bd800000,0x00000007be200010,0x00000007bf300000)
 Metaspace       used 2906K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 288K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

没有发生Minor GC，数组在老年代分配了空间。

3. OOM发生条件

对象一般在新生代的Eden区分配空间，大对象（超过阈值）和(大)数组会直接在老年代分配；
JVM默认老年代和年轻代空间比例3:1，新生代默认Eden和survivor区比例8:1（两个survivor，所以是8:1:1）；
如果新生代空间不够（触发阈值），会触发minor GC，回收年轻代的垃圾，使用复制算法，超过阈值年龄的存活对象会进入老年代；
如果分配空间时老年代空间不够（达到阈值），会触发major GC（就是FUll GC），算法根据垃圾收集器的不同而有所差别，Full GC 之后还是不够，就会抛出OOM错误。
Java 8没有永久代，MetaSpace是堆外内存

查看JVM参数及其默认值的命令

-XX:+PrintFlagsInitial // 查看初始化的参数和默认值
-XX:+PrintFlagsFinal  // 查看最终（配置后的）
-XX:+PrintCommandLineFlags // 查看命令行配置的JVM参数
jinfo工具查看

构造OOM思路，当创建大对象（或者数组）时的所需空间申请不到的时候，会先进行GC，如果GC之后还是不够，就会爆出OOM错误。

4. code

    public static void main(String args[]) {
        // 在新生代分配对象
        Runtime r = Runtime.getRuntime();
        System.out.println("xms: " + r.totalMemory() / 1024 + "KB");// Xms
        System.out.println("xmx: " + r.maxMemory() / 1024 + "KB");// Xmx
        System.out.println("free:" + r.freeMemory() / 1024 + "KB");
        
        // 直接在老年代分配内存。老年代空间 40/3*2 ~= 26.67M
        byte[] b = new byte[30 * 1024 * 1024];// 30M的数组,抛出OOM error
    }

查看GClog：

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.161-b12) for bsd-amd64 JRE (1.8.0_161-b12), built on Dec 19 2017 16:22:20 by "java_re" with gcc 4.2.1 (Based on Apple Inc. build 5658) (LLVM build 2336.11.00)
Memory: 4k page, physical 8388608k(828700k free)

/proc/meminfo:

CommandLine flags: -XX:InitialHeapSize=41943040 -XX:MaxHeapSize=41943040 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseParallelGC 
0.161: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 843K->432K(11776K)] 843K->440K(39424K), 0.0011782 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.162: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 432K->400K(11776K)] 440K->408K(39424K), 0.0007663 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.163: [Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 400K->0K(11776K)] [ParOldGen: 8K->336K(27648K)] 408K->336K(39424K), [Metaspace: 2895K->2895K(1056768K)], 0.0043752 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.168: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(11776K)] 336K->336K(39424K), 0.0003055 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.168: [Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(11776K)] [ParOldGen: 336K->324K(27648K)] 336K->324K(39424K), [Metaspace: 2895K->2895K(1056768K)], 0.0038658 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 11776K, used 307K [0x00000007bf300000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 10240K, 3% used [0x00000007bf300000,0x00000007bf34ce58,0x00000007bfd00000)
  from space 1536K, 0% used [0x00000007bfd00000,0x00000007bfd00000,0x00000007bfe80000)
  to   space 1536K, 0% used [0x00000007bfe80000,0x00000007bfe80000,0x00000007c0000000)
 ParOldGen       total 27648K, used 324K [0x00000007bd800000, 0x00000007bf300000, 0x00000007bf300000)
  object space 27648K, 1% used [0x00000007bd800000,0x00000007bd8511d8,0x00000007bf300000)
 Metaspace       used 2929K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 291K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

由GC log可以发现，年轻代发生了三次GC ，老年代发生了两次Major GC，依然无法申请到需要的空间，JVM只好抛出了OOM。

JVM内存分配

从上述的heap分布来看，堆内存主要分为：

年轻代
老年代

java8中已经没有永久代的概念，变成了元空间，它不属于heap内存，它是堆外内存。

在jvm中，内存主要分为两大块：

线程私有的区域：栈（JVM栈和本地方法栈）、PC（程序计数器）
线程共享区域：堆、元空间（方法区）

栈、PC和堆在笔记《5.JVM内存区域》已经记录了，这里看看元空间[2]。

MetaSpace

元空间是方法区的在HotSpot JVM 中的实现，方法区主要用于存储类信息、常量池、方法数据、方法代码等。方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常又叫“非堆”。

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。理论上取决于32位/64位系统可虚拟的内存大小。可见也不是无限制的，需要配置参数。

常用配置参数

MetaspaceSize

初始化的Metaspace大小，控制元空间发生GC的阈值。GC后，动态增加或降低MetaspaceSize。在默认情况下，这个值大小根据不同的平台在12M到20M浮动。使用Java -XX:+PrintFlagsInitial命令查看本机的初始化参数

MaxMetaspaceSize

限制Metaspace增长的上限，防止因为某些情况导致Metaspace无限的使用本地内存，影响到其他程序。在本机上该参数的默认值为4294967295B（大约4096MB）。

MinMetaspaceFreeRatio

当进行过Metaspace GC之后，会计算当前Metaspace的空闲空间比，如果空闲比小于这个参数（即实际非空闲占比过大，内存不够用），那么虚拟机将增长Metaspace的大小。默认值为40，也就是40%。设置该参数可以控制Metaspace的增长的速度，太小的值会导致Metaspace增长的缓慢，Metaspace的使用逐渐趋于饱和，可能会影响之后类的加载。而太大的值会导致Metaspace增长的过快，浪费内存。

MaxMetasaceFreeRatio

当进行过Metaspace GC之后，会计算当前Metaspace的空闲空间比，如果空闲比大于这个参数，那么虚拟机会释放Metaspace的部分空间。默认值为70，也就是70%。

5.MaxMetaspaceExpansion

Metaspace增长时的最大幅度。在本机上该参数的默认值为5452592B（大约为5MB）。

6.MinMetaspaceExpansion

Metaspace增长时的最小幅度。在本机上该参数的默认值为340784B（大约330KB为）。

参考资料

[1] 周志明.深入理解Java虚拟机

[2] JDK8-废弃永久代（PermGen）迎来元空间（Metaspace）