微服务轮子项目（49） -常见JVM内存错误及解决方案

1. Java heap space

当堆内存（Heap Space）没有足够空间存放新创建的对象时，就会抛出 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 错误（根据实际生产经验，可以对程序日志中的 OutOfMemoryError 配置关键字告警，一经发现，立即处理）。

1.1 原因分析

Java heap space 错误产生的常见原因可以分为以下几类：

• 请求创建一个超大对象，通常是一个大数组。
• 超出预期的访问量/数据量，通常是上游系统请求流量飙升，常见于各类促销/秒杀活动，可以结合业务流量指标排查是否有尖状峰值。
• 过度使用终结器（Finalizer），该对象没有立即被 GC。
• 内存泄漏（Memory Leak），大量对象引用没有释放，JVM 无法对其自动回收，常见于使用了 File 等资源没有回收。

1.2 解决方案

针对大部分情况，通常只需要通过 -Xmx 参数调高 JVM 堆内存空间即可。如果仍然没有解决，可以参考以下情况做进一步处理：

• 如果是超大对象，可以检查其合理性，比如是否一次性查询了数据库全部结果，而没有做结果数限制。
• 如果是业务峰值压力，可以考虑添加机器资源，或者做限流降级。
• 如果是内存泄漏，需要找到持有的对象，修改代码设计，比如关闭没有释放的连接。

2. GC overhead limit exceeded

当 Java 进程花费 98% 以上的时间执行 GC，但只恢复了不到 2% 的内存，且该动作连续重复了 5 次，就会抛出 java.lang.OutOfMemoryError:GC overhead limit exceeded 错误。简单地说，就是应用程序已经基本耗尽了所有可用内存， GC 也无法回收。

此类问题的原因与解决方案跟 Java heap space 非常类似，可以参考上文。

3. Permgen space

该错误表示永久代（Permanent Generation）已用满，通常是因为加载的 class 数目太多或体积太大。

3.1 原因分析

永久代存储对象主要包括以下几类：

• 加载/缓存到内存中的 class 定义，包括类的名称，字段，方法和字节码；
  常量池；
• 对象数组/类型数组所关联的 class；
• JIT 编译器优化后的 class 信息。
• PermGen 的使用量与加载到内存的 class 的数量/大小正相关。

3.2 解决方案

根据 Permgen space 报错的时机，可以采用不同的解决方案，如下所示：

• 程序启动报错，修改 -XX:MaxPermSize 启动参数，调大永久代空间。
• 应用重新部署时报错，很可能是没有应用没有重启，导致加载了多份 class 信息，只需重启 JVM 即可解决。
• 运行时报错，应用程序可能会动态创建大量 class，而这些 class 的生命周期很短暂，但是 JVM 默认不会卸载 class，可以设置 -XX:+CMSClassUnloadingEnabled 和 -XX:+UseConcMarkSweepGC 这两个参数允许 JVM 卸载 class。

如果上述方法无法解决，可以通过 jmap 命令 dump 内存对象 jmap -dump:format=b,file=dump.hprof ，然后利用 Eclipse MAT 功能逐一分析开销最大的 classloader 和重复 class。

4. Metaspace

JDK 1.8 使用 Metaspace 替换了永久代（Permanent Generation），该错误表示 Metaspace 已被用满，通常是因为加载的 class 数目太多或体积太大。

此类问题的原因与解决方法跟 Permgen space 非常类似，可以参考上文。需要特别注意的是调整 Metaspace 空间大小的启动参数为 -XX:MaxMetaspaceSize。

5. Unable to create new native thread

每个 Java 线程都需要占用一定的内存空间，当 JVM 向底层操作系统请求创建一个新的 native 线程时，如果没有足够的资源分配就会报此类错误。

5.1 原因分析

JVM 向 OS 请求创建 native 线程失败，就会抛出 Unable to create new native thread，常见的原因包括以下几类：

• 线程数超过操作系统最大线程数 ulimit 限制。
• 线程数超过 kernel.pid_max（只能重启）。
• native 内存不足。

该问题发生的常见过程主要包括以下几步：

1. JVM 内部的应用程序请求创建一个新的 Java 线程；
2. JVM native 方法代理了该次请求，并向操作系统请求创建一个 native 线程；
3. 操作系统尝试创建一个新的 native 线程，并为其分配内存；
4. 如果操作系统的虚拟内存已耗尽，或是受到 32 位进程的地址空间限制，操作系统就会拒绝本次 native 内存分配；
5. JVM 将抛出 java.lang.OutOfMemoryError: Unable to create new native thread 错误。

5.2 解决方案

• 升级配置，为机器提供更多的内存；
• 降低 Java Heap Space 大小；
• 修复应用程序的线程泄漏问题；
• 限制线程池大小；
• 使用 -Xss 参数减少线程栈的大小；
• 调高 OS 层面的线程最大数：执行 ulimia -a 查看最大线程数限制，使用 ulimit -u xxx 调整最大线程数限制。

ulimit -a
....  省略部分内容 .....
max user processes         (-u) 16384

6. Out of swap space？

该错误表示所有可用的虚拟内存已被耗尽。虚拟内存（Virtual Memory）由物理内存（Physical Memory）和交换空间（Swap Space）两部分组成。当运行时程序请求的虚拟内存溢出时就会报 Out of swap space? 错误。

6.1 原因分析

该错误出现的常见原因包括以下几类：

• 地址空间不足；
• 物理内存已耗光；
• 应用程序的本地内存泄漏（native leak），例如不断申请本地内存，却不释放。
• 执行 jmap -histo:live 命令，强制执行 Full GC；如果几次执行后内存明显下降，则基本确认为 Direct ByteBuffer 问题。

6.2. 解决方案

根据错误原因可以采取如下解决方案：

• 升级地址空间为 64 bit；
• 使用 Arthas 检查是否为 Inflater/Deflater 解压缩问题，如果是，则显式调用 end 方法。
• Direct ByteBuffer 问题可以通过启动参数 -XX:MaxDirectMemorySize 调低阈值。
• 升级服务器配置/隔离部署，避免争用。

7. Kill process or sacrifice child

有一种内核作业（Kernel Job）名为 Out of Memory Killer，它会在可用内存极低的情况下“杀死”（kill）某些进程。OOM Killer 会对所有进程进行打分，然后将评分较低的进程“杀死”，具体的评分规则可以参考 Surviving the Linux OOM Killer，详情点击：https://dev.to/rrampage/surviving-the-linux-oom-killer-2ki9

不同于其他的 OOM 错误，Kill process or sacrifice child 错误不是由 JVM 层面触发的，而是由操作系统层面触发的。

7.1 原因分析

默认情况下，Linux 内核允许进程申请的内存总量大于系统可用内存，通过这种“错峰复用”的方式可以更有效的利用系统资源。

然而，这种方式也会无可避免地带来一定的“超卖”风险。例如某些进程持续占用系统内存，然后导致其他进程没有可用内存。此时，系统将自动激活 OOM Killer，寻找评分低的进程，并将其“杀死”，释放内存资源。

7.2. 解决方案

• 升级服务器配置/隔离部署，避免争用。
• OOM Killer 调优，详情点击：https://access.redhat.com/documentation/en-us/red_hat_enterprise_linux/6/html/performance_tuning_guide/s-memory-captun

8. Requested array size exceeds VM limit

JVM 限制了数组的最大长度，该错误表示程序请求创建的数组超过最大长度限制。

JVM 在为数组分配内存前，会检查要分配的数据结构在系统中是否可寻址，通常为 Integer.MAX_VALUE - 2。

此类问题比较罕见，通常需要检查代码，确认业务是否需要创建如此大的数组，是否可以拆分为多个块，分批执行。

9. Direct buffer memory

Java 允许应用程序通过 Direct ByteBuffer 直接访问堆外内存，许多高性能程序通过 Direct ByteBuffer 结合内存映射文件（Memory Mapped File）实现高速 IO。

9.1 原因分析

Direct ByteBuffer 的默认大小为 64 MB，一旦使用超出限制，就会抛出 Direct buffer memory 错误。

9.2 解决方案

• Java 只能通过 ByteBuffer.allocateDirect 方法使用 Direct ByteBuffer，因此，可以通过 Arthas 等在线诊断工具拦截该方法进行排查。
• 检查是否直接或间接使用了 NIO，如 netty，jetty 等。
• 通过启动参数 -XX:MaxDirectMemorySize 调整 Direct ByteBuffer 的上限值。
• 检查 JVM 参数是否有 -XX:+DisableExplicitGC 选项，如果有就去掉，因为该参数会使 System.gc() 失效。
• 检查堆外内存使用代码，确认是否存在内存泄漏；或者通过反射调用 sun.misc.Cleaner 的 clean() 方法来主动释放被 Direct ByteBuffer 持有的内存空间。
• 内存容量确实不足，升级配置。

10. 推荐工具

• Eclipse Memory Analyzer —— JVM 内存分析工具
• Arthas - Java 在线诊断工具