前言
本文通过代码验证中JVM中各个运行时区域储存内容及内存溢出处理。主要验证Java堆溢出、虚拟机栈和本地方法栈溢出、方法区和运行时常量池溢出、本机直接内存溢出。
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，那么随着对象数量的增加，总容量触及最大堆的容量限制后就会 产生内存溢出异常。
代码示例如下：
/**
* VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
*/
public class HeapOOM {
static class OOMObject {
}
public static void main(String[] args) {
List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
while (true) {
list.add(new OOMObject());
}
}
}
设置参数：
-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX：+HeapDumpOnOutOf-MemoryError可以让虚拟机 在出现内存溢出异常的时候Dump出当前的内存堆转储快照。
运行结果：
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid1292.hprof ...
Heap dump file created [28563638 bytes in 0.125 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:261)
at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
at com.example.demo.HeapOOM.main(HeapOOM.java:16)
要解决这个内存区域的异常，常规的处理方法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。第一步首先应确认内存中导致OOM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）。
可使用MAT或JProfiler分析。
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，找到泄漏对象是通过怎 样的引用路径、与哪些GC Roots相关联，才导致垃圾收集器无法回收它们，根据泄漏对象的类型信息 以及它到GC Roots引用链的信息，一般可以比较准确地定位到这些对象创建的位置，进而找出产生内 存泄漏的代码的具体位置。
如果不是内存泄漏，换句话说就是内存中的对象确实都是必须存活的，那就应当检查Java虚拟机 的堆参数（-Xmx与-Xms）设置，与机器的内存对比，看看是否还有向上调整的空间。再从代码上检查 是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长、存储结构设计不合理等情况，尽量减少程序运 行期的内存消耗。
虚拟机栈和本地方法栈溢出
由于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，但实际上是没有任何效果的，栈容量只能由-Xss参数来设定。
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。
2）如果虚拟机的栈内存允许动态扩展，当扩展栈容量无法申请到足够的内存时，将抛出 OutOfMemoryError异常。
HotSpot虚拟机 的选择是不支持栈的动态扩展，所以除非在创建线程申请内存时就因无法获得足够内存而出现 OutOfMemoryError异常，否则在线程运行时是不会因为扩展而导致内存溢出的，只会因为栈容量无法 容纳新的栈帧而导致StackOverflowError异常。
为了验证这点，我们可以做两个实验，先将实验范围限制在单线程中操作，尝试下面两种行为是 否能让HotSpot虚拟机产生OutOfMemoryError异常：
·使用-Xss参数减少栈内存容量。
结果：抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的堆栈深度相应缩小。
·定义了大量的本地变量，增大此方法帧中本地变量表的长度。
结果：抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的堆栈深度相应缩小。
使用-Xss参数减少栈内存容量测试
代码示例如下：
/**
* VM Args：-Xss128k
*/
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;
}
}
}
参数设置：
-Xss128k
运行结果：
stack length:985
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at com.example.demo.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
at com.example.demo.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:11)
at com.example.demo.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:11)
at com.example.demo.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:11)
at com.example.demo.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:11)
...
对于不同版本的Java虚拟机和不同的操作系统，栈容量最小值可能会有所限制，这主要取决于操 作系统内存分页大小。如果过小HotSpot虚拟器启动时会给出如下提示：
The Java thread stack size specified is too small. Specify at least 228k
增大本地变量表的长度
定义了大量的本地变量，增大此方法帧中本地变量表的长度
代码示例：
public class JavaVMStackSOF {
private static int stackLength = 0;
public static void test() {
long unused1, unused2, unused3, unused4, unused5, unused6, unused7, unused8, unused9, unused10, unused11, unused12, unused13, unused14, unused15, unused16, unused17, unused18, unused19, unused20, unused21, unused22, unused23, unused24, unused25, unused26, unused27, unused28, unused29, unused30, unused31, unused32, unused33, unused34, unused35, unused36, unused37, unused38, unused39, unused40, unused41, unused42, unused43, unused44, unused45, unused46, unused47, unused48, unused49, unused50, unused51, unused52, unused53, unused54, unused55, unused56, unused57, unused58, unused59, unused60, unused61, unused62, unused63, unused64, unused65, unused66, unused67, unused68, unused69, unused70, unused71, unused72, unused73, unused74, unused75, unused76, unused77, unused78, unused79, unused80, unused81, unused82, unused83, unused84, unused85, unused86, unused87, unused88, unused89, unused90, unused91, unused92, unused93, unused94, unused95, unused96, unused97, unused98, unused99, unused100;
stackLength++;
test();
unused1 = unused2 = unused3 = unused4 = unused5 = unused6 = unused7 = unused8 = unused9 = unused10 = unused11 = unused12 = unused13 = unused14 = unused15 = unused16 = unused17 = unused18 = unused19 = unused20 = unused21 = unused22 = unused23 = unused24 = unused25 =
unused26 = unused27 = unused28 = unused29 = unused30 = unused31 = unused32 = unused33 = unused34 = unused35 = unused36 = unused37 = unused38 = unused39 = unused40 = unused41 = unused42 = unused43 = unused44 = unused45 = unused46 = unused47 = unused48 = unused49 = unused50 = unused51 = unused52 = unused53 = unused54 = unused55 = unused56 = unused57 = unused58 = unused59 = unused60 = unused61 = unused62 = unused63 = unused64 = unused65 = unused66 = unused67 = unused68 = unused69 = unused70 = unused71 = unused72 = unused73 = unused74 = unused75 = unused76 = unused77 = unused78 = unused79 = unused80 = unused81 = unused82 = unused83 = unused84 = unused85 = unused86 = unused87 = unused88 = unused89 = unused90 = unused91 = unused92 = unused93 = unused94 = unused95 = unused96 = unused97 = unused98 = unused99 = unused100 = 0;
}
public static void main(String[] args) {
try {
test();
} catch (Error e) {
System.out.println("stack length:" + stackLength);
throw e;
}
}
}
运行结果：
stack length:598
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at com.example.learn.Proxy.JavaVMStackSOF.test(JavaVMStackSOF.java:9)
at com.example.learn.Proxy.JavaVMStackSOF.test(JavaVMStackSOF.java:10)
at com.example.learn.Proxy.JavaVMStackSOF.test(JavaVMStackSOF.java:10)
at com.example.learn.Proxy.JavaVMStackSOF.test(JavaVMStackSOF.java:10)
实验结果表明：无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当新的栈帧内存无法分配的时候， HotSpot虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。
创建线程导致内存溢出异常
注：运行以下代码，请做好系统假死的心理准备，随时重启电脑。
/**
* VM Args：-Xss2M （这时候不妨设大些，请在32位系统下运行）
*/
public class JavaVMStackOOM {
private void dontStop() {
while (true) {
}
// try {
// Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
// } catch (InterruptedException e) {
// e.printStackTrace();
// }
}
public void stackLeakByThread() {
while (true) {
Thread thread = new Thread(() -> dontStop());
thread.start();
}
}
public static void main(String[] args) throws Throwable {
JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
oom.stackLeakByThread();
}
}
在32位操作系统下的运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create native thread
方法区和运行时常量池溢出
由于运行时常量池是方法区的一部分，所以这两个区域的溢出测试可以放到一起进行。
运行时常量池导致的内存溢出异常
在JDK 6或更早之前的HotSpot虚拟机中，常量池都是分配 在永久代中，我们可以通过-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize限制永久代的大小，即可间接限制其 中常量池的容量。
以JDK 6来运行，代码示例：
/**
* VM Args：-XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
*/
public class RuntimeConstantPoolOOM {
public static void main(String[] args) {
// 使用Set保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
Set<String> set = new HashSet();
// 在short范围内足以让6MB的PermSize产生OOM了
short i = 0;
while (true) {
set.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)
自JDK 7起，原本存放在永久代的字符串常量池被移至Java堆之中，所以在JDK 7及以上版 本，限制方法区的容量对该测试用例来说是毫无意义的。这时候使用-Xmx参数限制最大堆到6MB就能 够看到以下两种运行结果之一，具体取决于哪里的对象分配时产生了溢出：
// OOM异常一：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded
at java.lang.Integer.toString(Integer.java:403)
at java.lang.String.valueOf(String.java:3099)
at com.example.demo.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:14)
// OOM异常二：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded
at java.util.HashMap.newNode(HashMap.java:1734)
at java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:630)
at java.util.HashMap.put(HashMap.java:611)
at java.util.HashSet.add(HashSet.java:219)
at com.example.demo.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:16)
借助CGLib使得方法区出现内存溢出异常
代码示例：
import org.springframework.cglib.proxy.Enhancer;
import org.springframework.cglib.proxy.MethodInterceptor;
/**
* JDK7:VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
* JDK8: -XX:MaxMetaspaceSize=6M 设置元空间最大值，默认是-1，即不限制，或者说只受限于本地内存 大小。
*/
public class JavaMethodAreaOOM {
public static void main(String[] args) {
while (true) {
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (obj, method, args1, proxy) -> proxy.invokeSuper(obj, args1));
enhancer.create();
}
}
static class OOMObject {
}
}
在JDK 7中的运行结果：
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
JDK8运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
at java.lang.Class.forName0(Native Method)
at java.lang.Class.forName(Class.java:348)
at org.springframework.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:563)
at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:363)
at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:582)
at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:131)
at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:319)
at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:569)
at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:384)
at com.example.demo.JavaMethodAreaOOM.main(JavaMethodAreaOOM.java:15)
本机直接内存溢出
直接内存（Direct Memory）的容量大小可通过-XX：MaxDirectMemorySize参数来指定，如果不去指定，则默认与Java堆最大值（由-Xmx指定）一致。
代码示例：
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
/**
* VM Args：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
*/
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 com.example.demo.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:18)
由直接内存导致的内存溢出，一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见有什么明显的异常 情况，如果发现内存溢出之后产生的Dump文件很小，而程序中又直接或间接使用了 DirectMemory（典型的间接使用就是NIO），那就可以考虑重点检查一下直接内存方面的原因了。
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闻道有先后，术业有专攻。