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冲锅煮酒 · 2019年09月22日

Java8虚拟机（JVM）内存溢出实战

Java

前言

相信很多JAVA中高级的同学在面试的时候会经常碰到一个面试题
你是如何在工作中对JVM调优和排查定位问题的？

事实上，如果用户量不大的情况下，在你的代码还算正常的情况下，在工作中除非真正碰到与JVM相关的问题是少之又少，就算碰到了也是由公司的一些大牛去排查解决，那么我们又如何积累这方面的经验呢？下面由冲锅带大家一起来实践JVM的调优吧

注意我们平常所说的JVM调优一般指Java堆，Java虚拟机栈参数调优

Java堆溢出

先来一段代码示例，注意笔者用的是IDEA工具，需要配置一下VM options 为-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，如果不清楚的百度一下如何配置idea的JVM运行参数
package com.example.demo.jvm;

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

/**
 * @Author: Wang Chong 
 * @Date: 2019/9/22 9:37
 * @Version: V1.0
 */
public class HeapOutMemoryTest {
    static class ChongGuo {

    }
    public static void main(String[] args) {
        List<ChongGuo> chongGuos = new ArrayList<>();
        while (true) {
            chongGuos.add(new ChongGuo());
        }
    }
}

运行结果如下：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid9352.hprof ...
Heap dump file created [28701160 bytes in 0.122 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.jvm.HeapOutMemoryTest.main(HeapOutMemoryTest.java:18)
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:54599', transport: 'socket'

可以看到控制台出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space的错误，这是为什么呢，首先先解释一下上面的运行参数
-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-Xms20m:设置JVM最小内存为20m。此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存
-Xmx20m:设置JVM最大可用内存20M
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 表示当JVM发生OOM时，自动生成DUMP文件

下面我们分析一下出错的原因，用JProfiler分析一下，打开刚才生成的名为java_pid9352.hprof的dump文件。可以看到根据（InstanceXcount和Size）基本可以确定哪个类的对象出现问题,在上面示例中，可以是ChongGuo这个实例生在数量的大小已经超过12M，但没有超过20M，那么新问题又来了？<font color="#0382AD" >没到20M为啥会报堆内存溢出呢？</font>

答案就是JDK8中堆内存中还包括Metaspace,即元内存空间，在元空间出现前JDK1.7之前在JDK7以及其前期的JDK版本号中。堆内存通常被分为三块区域Nursery内存(young generation)、长时内存(old generation)、永久内存(Permanent Generation for VM Matedata)，如下图

当中最上一层是年轻代，一个对象被创建以后首先被放到年轻代中的Eden内存中，假设存活期超两个Survivor之后就会被转移到长时内存中(Old Generation)中永久内存中存放着对象的方法、变量等元数据信息。通过假设永久内存不够。我们就会得到例如以下错误：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen
而在JDK8中情况发生了明显的变化，就是普通情况下你都不会得到这个错误，原因
在于JDK8中把存放元数据中的永久内存从堆内存中移到了本地内存(native memory)
中，JDK8中JVM堆内存结构就变成了例如以下：

如果我启动VM参数加上：-XX:MaxMetaspaceSize=1m，重新运行一下上面的程序，
Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:56433', transport: 'socket'
java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
Dumping heap to java_pid9232.hprof ...
Heap dump file created [1604635 bytes in 0.024 secs]
FATAL ERROR in native method: processing of -javaagent failed
Exception in thread "main" Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:56433', transport: 'socket'

Process finished with exit code 1
可以发现报错信息变成了<font color="red">java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace</font>,说明元空间不够，我改成到大概4m左右才能满足启动条件。

虚拟机栈和本地方法栈栈溢出

在Java虚拟机规范中描述了两种异常：
  • 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无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常
StackOverflowError比较好测试，测试代码如下：
package com.example.demo.jvm;

/**
 * @Author: Wang Chong
 * @Date: 2019/9/22 19:09
 * @Version: V1.0
 */
public class StackOverflowTest {

    /**
     * 栈大小
     */
    private int stackLength = 1;

    /**
     * 递归压栈
     */
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

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

    }

}

运行结果如下：

Exception in thread "main" stack length is :20739
java.lang.StackOverflowError
    at com.example.demo.jvm.StackOverflowTest.stackLeak(StackOverflowTest.java:20)
    at com.example.demo.jvm.StackOverflowTest.stackLeak(StackOverflowTest.java:20)

在VM参数-Xss参数未设置的情况下，该线程的内存支持的栈深度为20739，该测试结果与机器的内存大小有关，不过上面的第二点如何测试呢？正常来说如果是单线程，则难以测试内存泄露的情况，那么多线程呢？我们看一下以下测试代码：

package com.example.demo.jvm;

/**
 * @Author: Wang Chong
 * @Date: 2019/9/22 19:09
 * @Version: V1.0
 */
public class StackOOMTest implements Runnable{

    /**
     * 栈大小
     */
    private int stackLength = 1;

    /**
     * 递归压栈
     */
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
       while (true){
           StackOOMTest stackOverflowTest = new StackOOMTest();
           new Thread(stackOverflowTest).start();
       }

    }

    @Override
    public void run() {
       stackLeak();
    }
}

如果系统不假死的情况下，会出现<font color="red">Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError:unable to create new native thread</font>

运行时常量池溢出

  • 字符型常量池溢出，在JAVA8中也是堆溢出，测试代码如下：
package com.example.demo.jvm;

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

/**
 * @Author: Wang Chong
 * @Date: 2019/9/22 19:44
 * @Version: V1.0
 */
public class RuntimePoolOOMTest {

    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i).intern());
        }
    }
}

结果如下：

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.jvm.RuntimePoolOOMTest.main(RuntimePoolOOMTest.java:17)
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:50253', transport: 'socket'

证明字符常量池已经在Java8中是在堆中分配的。

方法区溢出

在Java7之前，方法区位于永久代(PermGen)，永久代和堆相互隔离，永久代的大小在启动JVM时可以设置一个固定值，不可变；Java8仍然保留方法区的概念，只不过实现方式不同。取消永久代，方法存放于元空间(Metaspace)，元空间仍然与堆不相连，但与堆共享物理内存，逻辑上可认为在堆中
测试代码如下，为快速看出结果，请加入VM参数-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:MaxMetaspaceSize=10m：
package com.example.demo.jvm;

import org.springframework.cglib.proxy.Enhancer;
import org.springframework.cglib.proxy.MethodInterceptor;

/**
 * @Author: Wang Chong
 * @Date: 2019/9/22 19:56
 * @Version: V1.0
 */
public class MethodAreaOOMTest {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (o, method, objects, methodProxy) -> methodProxy.invokeSuper(o,
                    objects));
            enhancer.create();
        }
    }

    static class OOMObject {

    }
}

运行结果如下：

java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
Dumping heap to java_pid8816.hprof ...
Heap dump file created [6445908 bytes in 0.039 secs]
Exception in thread "main" org.springframework.cglib.core.CodeGenerationException: java.lang.reflect.InvocationTargetException-->null
    at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:345)
    at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492)
    at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:114)
    at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:291)
    at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480)
    at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:305)
    at com.example.demo.jvm.MethodAreaOOMTest.main(MethodAreaOOMTest.java:19)
Caused by: java.lang.reflect.InvocationTargetException
    at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1.invoke(Unknown Source)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
    at org.springframework.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:459)
    at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:336)
    ... 6 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
    at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)
    ... 11 more

Process finished with exit code 1

元空间内存报错，证明方法区的溢出与元空间相关。

总结如下：
  • 正常JVM调优都是针对堆内存和栈内存、元空间的参数做相应的改变
  • 元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过以下参数来指定元空间的大小：
  • -XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。
  • -XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的。
  • 字符串池常量池在每个VM中只有一份，存放的是字符串常量的引用值,存放在堆中

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