jvm性能调优实战 - 44Metaspace区域是如何因为类太多而发生内存溢出OOM

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上一篇文章我们已经把JVM的运行原理重新回顾了一遍，大家脑子里应该能重新浮现出JVM运行我们写的那些代码的流程图了。

而且结合那个运行流程，我们也点出来了有哪几块区域可能会发生内存溢出，那么今天我们就来着重分析一下Metaspace区域到底为什么会发生内存溢出。

Metaspace区域是如何触发内存溢出的？

在启动一个JVM时是可以设置很多参数的，其中有一些参数就是专门用来设置Metaspace区域的内存大小的，

如下两个参数就是用来设置Metaspace区域大小的：

-XX:MetaspaceSize=512m 
-XX:MaxMetaspaceSize=512m

我们看下图，图中我们就限定了Metaspace区域的内存大小为512m。

所以实际上来说，在一个JVM中，Metaspace区域的大小是固定的，比如512MB。

那么一旦JVM不停地加载类，加载了很多很多的类，然后Metaspace区域放满了，此时会如何？大家看下图。

大家如果还记得之前我们说过的频繁Full GC触发的几个问题，其中之一就是Metaspace区域满就会触发Full GC，Full GC会带着一块进行Old GC就是回收老年代的，也会带着回收年轻代的Young GC。

当然，Full GC的时候，必然会尝试回收Metaspace区域中的类，如下图所示。

所以一旦Metaspace区域满了，此时会触发Full GC，连带着回收Metaspace里的类。

那么什么样的类才是可以被回收的呢？

这个条件是相当的苛刻，包括不限于以下一些：比如这个类的类加载器先要被回收，比如这个类的所有对象实例都要被回收，等等。

所以一旦你的Metaspace区域满了，未必能回收掉里面很多的类。

那么一旦回收不了多少类，此时你的JVM还在拼命的加载类放到Metaspace里去，你觉得此时会发生什么事情？

显而易见，一旦你尝试回收了Metaspace中的类之后发现还是没能腾出来太多空间，此时还要继续往Metaspace中塞入更多的类，直接就会引发内存溢出的问题。因为此时Metaspace区域的内存空间不够了。

一旦发生了内存溢出就说明JVM已经没办法继续运行下去了，此时可能你的系统就直接崩溃了，这就是Metaspace区域发生内存溢出的一个根本的原理。

到底什么情况下会发生Metaspace内存溢出？

平心而论，Metaspace这块区域一般很少发生内存溢出，如果发生内存溢出一般都是因为两个原因：

• 第一种原因，很多工程师他不懂JVM的运行原理，在上线系统的时候对Metaspace区域直接用默认的参数，即根本不设置其大小
  这会导致默认的Metaspace区域可能才几十MB而已，此时对于一个稍微大型一点的系统，因为他自己有很多类，还依赖了很多外部的jar包有有很多的类，几十MB的Metaspace很容易就不够了
  
• 第二种原因，就是很多人写系统的时候会用cglib之类的技术动态生成一些类，一旦代码中没有控制好，导致你生成的类过于多的时候，就很容易把Metaspace给塞满，进而引发内存溢出
  

对于第一种问题，通常来说，有经验的工程师上线系统往往会设置对应的Metaspace大小，推荐的值在512MB那样，一般都是足够的。

对于第二种问题，我们用模拟代码给大家演示那种不停的生成大量的类的情况，让大家亲眼看到这种情况下是如何触发Metaspace内存溢出的。

Metaspace OOM 模拟

首先，我们来回顾一下之前一直用的一张图片，大家看下图：

在这张图片里，我们通过之前的讲解，可以清晰的看到JVM整体的运行原理，包括类加载，线程执行方法，虚拟机栈，堆内存创建对象，GC以及对象转移老年代，等等。而且在这个图里，我们也清晰标志出来了哪些环节可能会发生内存溢出。

因此在这里我们来回顾一下，Metaspace区域发生内存溢出的一个场景，说白了就是如果我们在程序里不停的动态生成类，就会导致不停的加载类到Metaspace区域里去，而且这些动态生成的类必须还得是不能被回收掉的。

接着一旦Metaspace区域满了，就会触发Full GC连带着回收Metaspace中的类，但是此时大量的类是不能被回收的。

因此即使触发过Full GC过后，Metaspace区域几乎还是不能放下任何一个类，此时必然会触发Metaspace区域的内存溢出，导致JVM也是崩溃掉，无法继续运行了。

CGLIB动态生成类的代码示例

<dependency>
   <groupId>cglib</groupId>
   <artifactId>cglib</artifactId>
   <version>3.3.0</version>
</dependency>

接着我们就可以使用CGLIB来动态生成类了，大家看下面的代码：

首先我们可以看到我们在这里定义了一个类，代表了一个汽车，他有一个run()方法，执行的时候就会启动汽车，开始让汽车行驶，大家看下面的这个代码片段：

那么我们接着来看下面的代码片段，我们通过CGLIB的Enhancer类生成了一个Car类的子类

注意，从这里开始，就是开始动态生成类了，大家要仔细看，看下面的代码片段：

你权且当做Enhancer是用来生成类的一个API吧，看到片段里我们给Enhancer设置了一个SuperClass没有？这里的意思就是说Enhancer生成的类是Car类的子类，Car类是生成类的父类。至于那个UseCache是什么意思，就先别管了。

既然Enhancer动态生成的类是Car的子类，那么是不是Car有的方法子类都有？所以子类是不是也有Car的run()方法？

答案是肯定的，但我们现在想要在调用子类的run()方法的时候做点手脚，如下面代码片段：

这个片段的意思是：如果你调用子类对象的run()方法，会先被这里的MethodInterceptor拦截一下，拦截之后，各位看里面的代码，是不是判断了一下，如果你调用的Method是run方法，那么就先对汽车做一下安全检查。

安全检查做完之后，再通过“methodProxy.invokeSuper(o, objects);”调用父类Car的run()方法，去启动汽车，这行代码就会执行到Car类的run()方法里去了。

到此为止，我们就已经通过CGLIB的Enhancer生成了一个Car类的子类了，而且定义好了对这个子类调用继承自父类的run()方法的时候，先干点别的，再调用父类的run()方法。

这么一搞，是不是跟下面这种在IDE里手写一个Car的子类是类似的？

看看下面的手写版本的代码：

看看上面那个SafeCar作为Car的子类，是不是干了一样的事？

但是这个类需要你用双手提前写出来代码，而CGLIB Enhancer那种模式可以在系统运行期间动态的创建一个Car的子类出来，实现一样的效果

看到这里，各位应该理解这个动态创建类了！

限制Metaspace大小看看内存溢出效果

接着我们可以设置一下这个程序的JVM参数，限制他的Metaspace区域比较小一点，如下所示，我们把这个程序的JVM中的Metaspace区域设置为仅仅10m：

-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m

接着我们可以在上述代码中做点手脚，大家看到上面的代码是有一个while循环的，所以他会不停的创建Car类的子类

我们在里面可以加入一个计数器，就是看看当前创建了多少个Car的子类了，如下所示：

在while循环外面加一个计数器，然后打印出当前创建了多少个类了。

接着大家用上述JVM参数来运行这个程序即可，可以看到如下所示的打印输出：

目前创建了263个Car类的子类了

Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: Unable to load cache item
at net.sf.cglib.core.internal.LoadingCache.createEntry(LoadingCache.java:79)
at net.sf.cglib.core.internal.LoadingCache.get(LoadingCache.java:34)
at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:119)
at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:294)
at net.sf.cglib.reflect.FastClass$Generator.create(FastClass.java:65)
at net.sf.cglib.proxy.MethodProxy.helper(MethodProxy.java:121)
at net.sf.cglib.proxy.MethodProxy.init(MethodProxy.java:75)
at net.sf.cglib.proxy.MethodProxy.invokeSuper(MethodProxy.java:226)
at com.limao.demo.jvm.Demo1$1.intercept(Demo1.java:22)
at com.limao.demo.jvm.Demo1$Car$$EnhancerByCGLIB$$7e5aa3a5_264.run(<generated>)
at com.limao.demo.jvm.Demo1.main(Demo1.java:30)
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
at java.lang.Class.forName0(Native Method)
at java.lang.Class.forName(Class.java:348)
at net.sf.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:467)
at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:339)
at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData$3.apply(AbstractClassGenerator.java:96)
at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData$3.apply(AbstractClassGenerator.java:94)
at net.sf.cglib.core.internal.LoadingCache$2.call(LoadingCache.java:54)
at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
at net.sf.cglib.core.internal.LoadingCache.createEntry(LoadingCache.java:61)
... 10 more

大家注意一下上述异常日志的两个地方，一个是在创建了263个类之后，10M的Metaspace区域就被耗尽了，接着就会看到异常中有如下的一个：

Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace。

这个OutOfMemoryError就是经典的内存溢出的问题，而且他明确告诉你，是Metaspace这块区域内存溢出了。

而且大家可以看到，一旦内存溢出，本来在运行的JVM进程直接会崩溃掉，你的程序会退出，这就是真实的内存溢出的日志。

小结

只要记得，合理分配Metaspace区域，同时避免无限制的动态生成类，一般这块区域其实都是比较安全的，不至于会触发内存溢出的。