二、OutOfMemoryError实战

栋先生

发布于 2018-09-29 16:36:35

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发布于 2018-09-29 16:36:35

本文通过一些可执行代码来验证异常发生的场景，并且会初步介绍几个与内存相关的最基本的虚拟机参数。本文的主要目的有两个： 1. 通过代码验证Java虚拟机规范中描述的各个运行时区域储存的内容。 2. 希望读者在工作中遇到实际的内存溢出异常时，能根据异常的信息快速判断是哪个区域的内存溢出，知道怎样的代码可能会导致这些区域的内存溢出，以及出现这些异常后该如何处理。

下面代码的开头都注释了执行时所需要设置的虚拟机启动参数（注释中“VM Args”后面跟着的参数），这些参数对实验的结果有直接影响，请读者调试代码的时候不要忽略掉。如果读者使用控制台命令来执行程序，那直接跟在Java命令之后书写就可以。 1. 如果读者使用Eclipse IDE，点击菜单栏Run->Run Configurations，可以打开下图所示界面，可以参考下图在Debug/Run页签中的设置。

2. 如果读者使用IntelliJ IDEA，点击菜单栏Run->Edit Configurations，可以打开下图所示界面，可以参考下图在Run/Debug Configurations页签中的设置。

下文的代码都是基于Sun HotSpot 23.3-b01（JDK 1.7 Update 11中带的虚拟机）运行的，对于不同公司的不同版本的虚拟机，参数和程序运行的结果可能会有所差别。

Java堆溢出

Java堆用于储存对象实例，我们只要不断地创建对象，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清除这些对象，就会在对象数量到达最大堆的容量限制后产生内存溢出异常。下面代码中限制Java堆的大小为20MB，不可扩展（将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为一样即可避免堆自动扩展），通过参数-XX:+HeapDump OnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析。

/**
 * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError * @author zzm
 */public class HeapOOM {

    static class OOMObject {
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();

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

运行结果：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space Dumping heap to java_pid3404.hprof … Heap dump file created [22045981 bytes in 0.663 secs]

Java堆内存的OOM异常是实际应用中最常见的内存溢出异常情况。出现Java堆内存溢出时，异常堆栈信息“java.lang.OutOfMemoryError”会跟着进一步提示“Java heap space”。

如何解决堆内存溢出异常？

要解决这个区域的异常，一般的手段是首先通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必要的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）。下图5显示了使用Eclipse Memory Analyzer打开的堆转储快照文件。

如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄漏对象的类型信息，以及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。

如果不存在泄漏，换句话说就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xmx与-Xms），与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。

以上是处理Java堆内存问题的简略思路，处理这些问题所需要的知识、工具与经验是后面的博文。

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，-Xoss参数（设置本地方法栈大小）虽然存在，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，在Java虚拟机规范中描述了两种异常： 1. 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。

如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出 OutOfMemoryError 异常。

这里把异常分成两种情况看似更加严谨，但却存在着一些互相重叠的地方：当栈空间无法继续分配时，到底是内存太小，还是已使用的栈空间太大，其本质上只是对同一件事情的两种描述而已。在笔者的实验中，如果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虚拟机产生OutOfMemoryError异常，尝试的结果都是获得StackOverflowError异常，测试代码如下所示。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深度相应缩小。

定义了大量的本地变量，增加此方法帧中本地变量表的长度。结果：抛出StackOverflowError异常时输出的栈深度相应缩小。

/**
 * VM Args：-Xss128k * @author zzm
 */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;
        }
    }
}

运行结果：

stack length:2402 Exception in thread “main” java.lang.StackOverflowError at org.fenixsoft.oom.VMStackSOF.leak(VMStackSOF.java:20) at org.fenixsoft.oom.VMStackSOF.leak(VMStackSOF.java:21) at org.fenixsoft.oom.VMStackSOF.leak(VMStackSOF.java:21) ……后续异常栈信息省略

实验结果表明：在单个线程下，无论是由于栈帧太大，还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。

如果测试时不限于单线程，通过不断地建立线程的方式倒是可以产生内存溢出异常，如代码清单2-3所示。但是，这样产生的内存溢出异常与栈空间是否足够大并不存在任何联系，或者准确地说，在这种情况下，给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。

原因其实不难理解，操作系统分配给每个进程的内存是有限制的，譬如32位的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2GB（操作系统限制）减去Xmx（最大堆容量），再减去MaxPermSize（最大方法区容量），程序计数器消耗内存很小，可以忽略掉。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。每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数量自然就越少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。

这一点读者需要在开发多线程应用的时候特别注意，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。如果没有这方面的经验，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。

/**
 * VM Args：-Xss2M （这时候不妨设大些） 
 * @author zzm
 */
 public class JavaVMStackOOM {

    private void dontStop() {
        while (true) {
        }
    }

    public void stackLeakByThread() {
        while (true) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
  public void run() {
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}

注意：特别提示一下，LZ在运行上面这段代码时，电脑出现了卡死，重启之后才正常。所以大家记得要先保存当前的工作，由于在Windows平台的虚拟机中，Java的线程是映射到操作系统的内核线程上的，所以上述代码执行时有较大的风险，可能会导致操作系统假死。 运行结果：

Exception in thread “main” java.lang. OutOfMemoryError: unable to create new native thread

运行时常量池溢出

如果要向运行时常量池中添加内容，最简单的做法就是使用String.intern()这个Native方法。该方法的作用是：如果池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的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。由于常量池分配在方法区内，我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小，从而间接限制其中常量池的容量，如下图代码所示。

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

/**
 * VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M 
 * @author zzm
 */
 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<String> list = new ArrayList<String>();
        // 10MB的PermSize在integer范围内足够产生OOM了
  int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

运行结果：

Exception in thread “main” java.lang. OutOfMemoryError: PermGen space at java.lang.String.intern(Native Method) at org.fenixsoft.oom.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:18)

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。

方法区溢出

方法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这个区域的测试，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。虽然直接使用Java SE API也可以动态产生类（如反射时的GeneratedConstructorAccessor和动态代理等），但在本次实验中操作起来比较麻烦。在代码清单2-5中，笔者借助CGLib直接操作字节码运行时，生成了大量的动态类。

值得特别注意的是，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：当前的很多主流框架，如Spring和Hibernate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可以加载入内存。

/**
 * VM Args： -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author zzm
 */
 public class JavaMethodAreaOOM {

    public static void main(String[] args) {  
        　while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                public Object intercept(Object
                                                obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
                    return proxy.invokeSuper(obj, args);
                }
            });
            enhancer.create();  
        　}
    }
    static class OOMObject {

    }
}

运行结果：

Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method) at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(ClassLoader.java:632) at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:616) … 8 more

方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常，一个类如果要被垃圾收集器回收掉，判定条件是非常苛刻的。在经常动态生成大量Class的应用中，需要特别注意类的回收状况。这类场景除了上面提到的程序使用了GCLib字节码增强外，常见的还有：大量JSP或动态产生JSP文件的应用（JSP第一次运行时需要编译为Java类）、基于OSGi的应用（即使是同一个类文件，被不同的加载器加载也会视为不同的类）等。

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堆的最大值（-Xmx指定）一样。下面代码越过了DirectByteBuffer类，直接通过反射获取Unsafe实例并进行内存分配（Unsafe类的getUnsafe()方法限制了只有引导类加载器才会返回实例，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，而是通过计算得知内存无法分配，于是手动抛出异常，真正申请分配内存的方法是unsafe.allocateMemory()。

/**
 * VM Args：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 * @author zzm
 */
 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：

Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method) at org.fenixsoft.oom.DMOOM.main(DMOOM.java:20)

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原始发表：2017年04月16日，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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