《深入理解Java虚拟机》读书笔记（三）--堆栈异常代码示例-阿里云开发者社区

Java堆溢出：

/**
*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());
    }
  }
}

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：+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以便进行事后分析[1]。

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]

.2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。

《Java虚拟机规范》明确允许Java虚拟机实现自行选择是否支持栈的动态扩展，而HotSpot虚拟机的选择是不支持扩展，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：

第一种情况：

·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。

/**
*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;
    }
  }
}

stack length:2402
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:20)
 at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:21) 
 at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:21)

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。譬如上述方法中的参数-Xss128k可以正常用于32位Windows系统下的JDK 6，但是如果用于64位Windows系统下的JDK 11，则会提示栈容量最小不能低于180K，而在Linux下这个值则可能是228K，如果低于这个最小限制，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

第二种情况：

·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。

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:5675
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:27)
 at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:28) 
 at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:28)

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。可是如果在允许动态扩展栈容量大小的虚拟机上，相同代码则会导致不一样的情况。

可见相同的代码在Classic虚拟机中成功产生了OutOfMemoryError而不是StackOverflowError异常。如果测试时不限于单线程，通过不断建立线程的方式，在HotSpot上也是可以产生内存溢出异常的，具体如下所示。但是这样产生的内存溢出异常和栈空间是否足够并不存在任何直接的关系，主要取决于操作系统本身的内存使用状态。甚至可以说，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Windows的单个进程最大内存限制为2GB。HotSpot虚拟机提供了参数可以控制Java堆和方法区这两部分的内存的最大值，

那剩余的内存即为2GB（操作系统限制）减去最大堆容量，再减去最大方法区容量，由于程序计数器消耗内存很小，可以忽略掉，如果把直接内存和虚拟机进程本身耗费的内存也去掉的话，剩下的内存就由虚拟机栈和本地方法栈来分配了。因此为每个线程分配到的栈内存越大，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，下面演示了这种情况。

/**
*VM Args：-Xss2M （这时候不妨设大些，请在32位系统下运行）
*@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();
  }
}

重点提示一下，如果要尝试运行上面这段代码，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，无限制地创建线程会对操作系统带来很大压力，上述代码执行时有很高的风险，可能会由于创建线程数量过多而导致操作系统假死。

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

出现StackOverflowError异常时，会有明确错误堆栈可供分析，相对而言比较容易定位到问题所在。如果使用HotSpot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）到达1000~2000是完全没有问题，对于正常的方法调用（包括不能做尾递归优化的递归调用），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，在不能减少线程数量或者更换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。这种通过“减少内存”的手段来解决内存溢出的方式，如果没有这方面处理经验，一般比较难以想到，这一点读者需要在开发32位系统的多线程应用时注意。也是由于这种问题较为隐蔽，从JDK 7起，以上提示信息中“unable to create native thread”后面，虚拟机会特别注明原因可能是“possibly out of memory or process/resource limits reached” 。

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。前面曾经提到HotSpot从JDK 7开始逐步“去永久代”的计划，并在JDK 8中完全使用元空间来代替永久代的背景故事，在此我们就以测试代码来观察一下，使用“永久代”还是“元空间”来实现方法区，对程序有什么实际的影响。

String::intern()是一个本地方法，它的作用是如果字符串常量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对象的引用；否则，会将此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。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，具体实现如代码清单2-7所示，请读者测试时首先以JDK 6来运行代码。

/**
*VM Args：-XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
*@author zzm
*/
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<String>();
  // 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());
    }
  }
}

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，运行时常量池溢出时，在OutOfMemoryError异常后面跟随的提示信息是“PermGen space”，说明运行时常量池的确是属于方法区（即JDK 6的HotSpot虚拟机中的永久代）的一部分。

而使用JDK 7或更高版本的JDK来运行这段程序并不会得到相同的结果，无论是在JDK 7中继续使用-XX：MaxPermSize参数或者在JDK 8及以上版本使用-XX：MaxMeta-spaceSize参数把方法区容量同样限制在6MB，也都不会重现JDK 6中的溢出异常，循环将一直进行下去，永不停歇[1]。出现这种变化，是因为自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：

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，代码清单2-10越过了DirectByteBuffer类直接通过反射获取Unsafe实例进行内存分配（Unsafe类的getUnsafe()方法指定只有引导类加载器才会返回实例，体现了设计者希望只有虚拟机标准类库里面的类才能使用Unsafe的功能，在JDK 10时才将Unsafe 的部分功能通过VarHandle开放给外部使用），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就会在代码里手动抛出溢出异常，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);
    }
  }
}

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)

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，如果读者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。

《深入理解Java虚拟机》读书笔记（三）--堆栈异常代码示例

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