深入理解Java中的OutOfMemoryError（OOM）异常

导言：
在Java开发中，我们经常会遇到程序抛出OutOfMemoryError异常的情况，这意味着程序在运行时无法继续分配所需的内存。这篇博客将深入探讨Java中的OOM异常，包括异常的种类、常见的引起OOM的原因以及如何诊断和处理这些问题。

1. OutOfMemoryError异常简介

OutOfMemoryError是Java中的一个运行时异常，通常指示Java虚拟机（JVM）无法为新的对象分配内存。当程序尝试创建新的对象，而堆内存空间不足以容纳这些对象时，就会抛出OOM异常。OOM异常被分为多个子类，每个子类对应着不同的内存分配问题。

2. OOM异常的种类

2.1. Java Heap Space

这是最常见的OOM异常，表示Java堆内存空间不足。可能的原因包括对象过多、内存泄漏等。

2.2. Java GC Overhead Limit Exceeded

表示垃圾收集器花费的时间过多，但回收的内存量很少。这可能是因为系统的大部分时间都用于垃圾回收，而几乎没有可用于应用的内存。

2.3. PermGen Space

在Java 7及之前版本中，用于存放类的元数据（如类名、方法名）的永久代，可能导致这种类型的OOM异常。

2.4. Metaspace

在Java 8及之后版本中，永久代被元空间（Metaspace）替代。Metaspace存放类的元数据，它不再有固定的大小，而是依赖于系统的可用内存。

3. 最常见的OOM情况：

3.1. 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。

3.2. java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

java永久代溢出，即方法区溢出了，一般出现于大量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。

3.3. 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。

4. 常见引起OOM的原因

4.1. 内存泄漏和内存溢出

内存被应用程序使用的太多，而且用完后没有释放，浪费了内存。
内存泄漏：应用进程申请并使用完的内存，没有被释放，导致虚拟机不能再次使用该内存，此时这段内存就泄露了，因为当前的申请者不用了，但又不能被JVM虚拟机分配给其他申请者。
内存溢出：申请的内存超出了JVM虚拟机能提供的内存大小。

4.2. 大量对象创建

如果程序在短时间内频繁地创建大量对象，而内存又不能及时释放，就容易导致堆内存溢出。

4.3. 大对象

创建一个过于庞大的对象，可能导致堆内存无法容纳。

4.4. 无限递归

在递归调用中没有明确的结束条件，导致递归深度过深，可能导致栈空间溢出。

5. 诊断和处理OOM异常

5.1. 使用堆栈跟踪信息

当程序抛出OOM异常时，查看异常堆栈信息可以帮助定位问题的源头。关注异常发生时的代码行数和方法调用，以便更好地理解问题。

5.2. 使用内存分析工具

工具如VisualVM、MAT（Memory Analyzer Tool）等可以帮助分析Java应用的内存使用情况，查找内存泄漏和大对象等问题。

5.3. 优化代码

通过代码审查和性能优化，减少不必要的对象创建和内存占用。

5.4. 调整JVM参数

根据应用的需求和硬件环境，适当调整JVM的堆大小、永久代大小等参数。

6.补充知识：JVM内存模型

Java虚拟机所管理的内存包括以下 7个 运行时数据区域：

6.1. 程序计数器 （Program Counter Register）

• 一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器
• 线程私有的内存
• 值得注意的是：《Java虚拟机规范》中，唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域！！！

6.2. Java虚拟机栈 （VM Stack）

• Java方法执行的线程内存模型
• 为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务
• 线程私有的内存 其生命周期与线程相同
• 每个Java方法的执行对应着一个栈帧的进栈和出栈的操作

两类异常：

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常
• 如果JVM栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存时，会抛出OutOfMemoryError异常

6.3. 本地方法栈 （Native Method Stacks）

• 区别于 “Java虚拟机栈” ：本地方法栈只为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务，为其运行提供内存环境
• 同 “Java虚拟机栈” 一样，本地方法栈也有两类异常：
  • 栈深度溢出时，将抛出StackOverflowError异常
  • 栈扩展失败时，会抛出OutOfMemoryError异常

6.4. Java堆 （Java Heap）

• 虚拟机所管理的内存中最大的一块
• Java堆是被所有线程共享的一块内存区域
• 唯一的目的：存放对象示例。
  • Java中 “几乎” 所有的对象实例都在这里分配内存；
  • 但是，由于现在技术发展，说 “Java对象示例都分配在堆上” 也渐渐变得不是那么绝对了。
• Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，也称 “GC堆”
• Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，但在逻辑上它应该是被视为连续的。
• 如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且Java堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常

6.5. 方法区（Method Area）

• 和 “Java堆” 一样，是被所有线程共享的一块区域。
• 在《Java虚拟机规范》中，把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫作 “非堆” ，目的是与Java堆区分开来。
• 如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常

6.6. 运行时常量池 （Running Constant Pool）

• 运行时常量池是方法区的一部分
• 常量池表：用于存放编译期生成的各种字面量与字符引用。
  • 这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
• 运行时常量池相对Class文件常量池的一个重要特征是具备动态性。
• 当常量池无法再申请到内存时，会抛出OutOfMemoryError异常

6.7. 直接内存 （Direct Memory）

• 既不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。
• 但是这部分内存区域也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现
  • 在JDK 1.4中新加入了NIO（New
    Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库
    直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。
  • 在本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存（包括RAM及SWAP区或者分页文件）的大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理内存限制（包括物理上的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

7. 总结

在Java应用开发中，OOM异常是一个常见但严重的问题。了解不同类型的OOM异常、常见的引起OOM的原因以及诊断和处理的方法，有助于开发人员更好地优化程序，提高系统的稳定性和性能。通过使用合适的工具和技术手段，我们可以更好地应对OOM异常，确保应用在长时间运行中保持稳定。