Java內存溢出案例模擬和原理分析過程

在JVM虛擬機規范中，Java虛擬機運行時數據區域除了程序計數器（Program Counter Register）外都有可能出現OutOfMemoryError的情況，使用Hotspot虛擬機簡單的模擬堆棧內存溢出的場景，方便快速定位是什么區域的內存溢出。

堆

通過VM參數設置Java堆的大小，避免堆可擴展內存（設定-Xms和Xmx一樣可避免堆自動擴展）；

通過設定-XX：+HeapDumpOnOutOf-MemoryError可以讓虛擬機在出現內存溢出異常的時候Dump出當前的內存堆轉儲快照。

/**
 * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * @author Vicente
 * @version 1.0
 * @date 2020/4/5 10:28
 */
public class TestHeapOOM {
 public static void main(String[] args) {

  List<TestHeapOOM> list = new ArrayList<TestHeapOOM>();
  while (true) {
   list.add(new TestHeapOOM());
  }
 }
}

設置啟動參數：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

運行結果：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
 Dumping heap to java_pid3676.hprof ...
 Heap dump file created [28279988 bytes in 0.099 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:265)
 at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:239)
 at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:231)
 at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:462)
 at com.oom.TestHeapOOM.main(TestHeapOOM.java:19)

使用IDEA和Eclipse都可以設置啟動時的參數。

堆轉儲快照文件一般生成后位于你的work space，拿到文件后要對快照文件進行分析，可以采用不同的工具來幫助我們分析，這里推薦兩種：

jhat

在IDEA或者Eclispe的終端控制臺直接輸入命令

jhat java_pid13232.hprof

當dump的文件過大時需要設置jhat參數：jhat -J-Xmx2048m java_pid13232.hprof，默認-Xmx為1024

對堆快照進行分析

Reading from java_pid13232.hprof...
Dump file created Sun Apr 05 10:54:06 CST 2020
Snapshot read, resolving...
Resolving 818818 objects...
Chasing references, expect 163
dots................................................................................................................
Eliminating duplicate
references..........................................................................................................
Snapshot resolved.
Started HTTP server on port 7000
Server is ready.

通過訪問http://localhost:7000即可查看分析結果，對象內存分配的大小等信息。

mat

工具下載地址：https://eclipse.org/mat/downloads.php，選擇需要下載的版本，windows版本下載后是一個壓縮包，直接解壓運行即可。

打開需要分析的堆轉儲文件，分析后會展示一個概要預覽

Leak Suspects » Leaks » Problem Suspect 在這里面可以看到對象的個數，對象占用大小等信息，這里包含兩個重要信息

Generally speaking, shallow heap of an object is its size in the heap and retained size of the same object is the amount of heap memory that will be freed when the object is garbage collected.

具體解釋可以參考：https://help.eclipse.org/2020-03/index.jsp

這里具體使用就不再描述，可以參考官方文檔。

棧

Java運行時數據區包含虛擬機棧和本地方法棧，在Hotspot虛擬機實現中對于本地方法棧的參數（-Xoss）設定并無實際效果，只通過-Xss參數來模擬棧的內存溢出。《Java虛擬機規范》中指出：

如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的最大深度，拋出StackOverflowError異常如果虛擬機的棧內存允許動態擴展，當擴展棧容量無法申請到足夠的內存時，拋出OutOfMemoryError異常

設置運行參數VM Args：-Xss128k

/**
 * VM Args：-Xss128k
 * @author Vicente
 * @version 1.0
 * @date 2020/4/5 12:39
 */
public class TestStackOverflow {

 private int stackLength = 1;
 
 public void stackLeak() {
  stackLength++;
  stackLeak();
 }

 public static void main(String[] args) throws Throwable {
  TestStackOverflow overflow = new TestStackOverflow();
  try {
   overflow.stackLeak();
  } catch (Throwable e) {
   System.out.println("stack length:" + overflow.stackLength);
   throw e;
  }
 }
}

運行結果：

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at com.oom.TestStackOverflow.stackLeak(TestStackOverflow.java:17)
at com.oom.TestStackOverflow.stackLeak(TestStackOverflow.java:17)
//省略...
stack length:36984
//省略...

根據操作系統的不同和Java虛擬機版本的不同，棧容量的最小值也會有所不同，改變棧容量的大小或者棧幀過大時都會導致StackOverflowError異常。

Hotspot虛擬機不支持擴展棧內存，除非在創建線程申請內存就不足會導致OutOfMemoryError異常，其他情況都是在運行時因為棧容量無法容納新的棧幀而導致StackOverflowError異常。

不同的虛擬機實現有著不同的細節處理，其他虛擬機實現如果是可擴容棧空間，棧容量不足時會拋出OutOfMemoryError異常，當遇到OutOfMemoryError時要先判斷是棧空間還是堆內存的異常。

方法區

在JDK6之前的Hotspot虛擬機中方法區被設置在永久代中，運行時常量池也屬于方法區的一部分，可以通過-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize限制永久代的大小，在JDK7開始逐步的去永久代，到了JDK8就開始使用元空間（meta-space）來實現方法區，保存程序運行時的數據。

使用JDK6，設定永久代參數-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M

public class TestConstantPoolOOM {
 public static void main(String[] args) throws Throwable {
  //使用Set保持著常量池引用，避免Full GC回收常量池行為
  Set<String> set = new HashSet<String>();
  // 在short范圍內足以讓6MB的PermSize產生OOM了
  short i = 0;
  while (true) {
   set.add(String.valueOf(i++).intern());
   //String.valueOf(i++).intern();
  }
 }
}

運行結果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.String.intern(Native Method)
at com.oom.TestConstantPoolOOM.main(TestConstantPoolOOM.java from InputFileObject:21)

可以看到OutOfMemoryError后面指明了內存溢出的位置PermGen space；在JDK8中使用-XX：MaxMeta-spaceSize參數把方法區容量同樣限制，也不會出現異常，因為從JDK7開始常量池已經從永久代移到了Java堆的位置，此時限制Java堆的大小便會拋出異常，定位異常的位置。

設置上面代碼的運行參數：-Xms6m -Xmx6m

運行結果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.util.HashMap.resize(HashMap.java:704)
at java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:663)
at java.util.HashMap.put(HashMap.java:612)
at java.util.HashSet.add(HashSet.java:220)
at com.oom.TestConstantPoolOOM.main(TestConstantPoolOOM.java:20)

可以看到，程序運行拋出java.lang.OutOfMemoryError異常。

方法區的異常也是一種常見異常，一個類被垃圾回收期回收的條件是比較苛刻的，在經常運行時生成大量動態類的應用場景里，就應該特別關注這些類的回收狀況，比如傳統項目中大量的jsp文件，jsp會被編譯成Java類，容易拋出方法區異常，在JDK8以后永久代不再存在，元空間的出現使得，正常創建對象的過程很難出現方法區的內存溢出，不過Hotspot也提供了一些參數設置保護元空間。

- XX：MaxMetaspaceSize：設置元空間最大值，默認是-1，即不限制，或者說只受限于本地內存大小。
- XX：MetaspaceSize：指定元空間的初始空間大小，以字節為單位，達到該值就會觸發垃圾收集，收集器會對該值進行調整：如果釋放大量的空間，適當降低該值；如果釋放了很少的空間，在不超過-XX：MaxMetaspaceSize（如果設置了的話）的情況下，適當提高該值。
- XX：MinMetaspaceFreeRatio：作用是在垃圾收集之后控制最小的元空間剩余容量的百分比，可減少因為元空間不足導致的垃圾收集的頻率。
- XX：Max-MetaspaceFreeRatio，用于控制最大的元空間剩余容量的百分比。

直接內存

直接內存可以理解為堆外內存，通過參數-XX：MaxDirectMemorySize來設定，如果不設置默認與Java堆內存的最大值相同。NIO會使用直接內存，使用Unsafe類來模擬直接內存溢出的情況。

public class TestDirectMemoryOOM {
 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);
  }
 }
}

運行結果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
at com.oom.TestDirectMemoryOOM.main(TestDirectMemoryOOM.java:24)

當直接內存溢出時，Dump文件并沒有太多錯誤信息，要考慮是否間接使用NIO了。

總結當Java虛擬機拋出OutOfMemoryError錯誤時，判斷是Java內存哪一塊區域拋出的錯誤，定位堆，棧使用工具分析堆轉儲快照，判斷是內存泄漏（Memory Leak）還是內存溢出（Memory Overflow）當發生內存泄漏可以通過工具查看GC Roots引用鏈，分析為什么垃圾回收器無法回收，判定對象創建的位置，是否有可回收對象如果是內存溢出，根據硬件性能是否可以（使用-Xms和-Xmx）擴展堆內存大小，或者從代碼角度去優化

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持億速云。