JVM 实战 OutOfMemoryError 异常(上)

2022-04-24 164

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简介： 在《Java虚拟机规范》的规定里，除了程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError（下文称OOM）异常的可能。（本文主要是基于 jdk1.8 展开探讨）

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。

模拟代码

下面是简单的模拟堆内存溢出的代码：

/**
 * VM Args：-Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * @author xx
 * @date 2021-8-13
 */
public class HeapOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new byte[2048]);
        }
    }
}

返回结果信息如下所示：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
  at cn.xx.jvm.oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:16)

问题分析

我们需要定位是内存泄漏（Memory Leak）还是，内存溢出(Memory Overflow)

内存泄漏

内存溢出

内存泄漏

我们可以通过 jdk 自带的 jvisualvm 工具来加载堆快照文件进行分析。

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。

内存溢出

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

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：

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。

虚拟机栈内存溢出

StackOverflowError

示例代码：

/**
 * VM Args：-Xss128k
 *
 * @author xx
 * @date 2021-08-13
 */
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;
        }
    }
}

返回异常信息

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
stack length:992
  at cn.xx.jvm.oom.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
  at cn.xx.jvm.oom.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:14)
  //.... 省略更多

OutOfMemoryError

package cn.xx.jvm.oom;
/**
 * @author xx
 * @date 2021-08-13
 */
public class JavaVMStackSOF2 {
    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;
        }
    }
}

输出结果：

stack length:6986
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
  at cn.xx.jvm.oom.JavaVMStackSOF2.test(JavaVMStackSOF2.java:22)
  at cn.xx.jvm.oom.JavaVMStackSOF2.test(JavaVMStackSOF2.java:22)