本文最后更新于:2020年9月5日 晚上

JVM系列(三)-实战:OOM异常

在Java虚拟机规范的描述中,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00M )异常的可能,本节将通过若干实例来验证异常发生的场景,并且会初步介绍几个与内存相关的最基本的虚拟机参数。

目的

1.通过代码验证《Java虚拟机规范》中描述的各个运行时区域存储的内容。
2.在我们遇到实际内存溢出异常时,我们能根据异 常的信息快速判断是哪个区域的内存溢出,
知道什么样的代码可能会导致这些区域内存溢出,以及出现这些异常后该如何处理。

下文代码的开头都注释了执行时所需要设置的虚拟机启动参数(注释中“VM Args”后面跟着的参数),这些参数对实验的结果有直接影响,读者调试代码的时候千万不要忽略。

如果使用的是控制台命令来执行程序,那直接跟在Java命令之后书写就可以。

本文主要以IntelliJ IDEA作为操作工具。参数设置位置参考:

为了进行我们的JVM性能分析,我们选择JProfiler作为我们的性能分析工具。

JProfiler V11.0.2百度云链接:
链接:https://pan.baidu.com/s/1dVpwUXKCUcJUZof0VQDO8g 
提取码:gg63

安装教程:https://www.isharepc.com/14200.html

同时我们需要在Idea中下载JProfiler的插件:

1.1 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,就会在对象数量到达最大堆的容量限制后产生内存溢出异常。

下面代码中限制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:+HeapDump OnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常时【Dump】出当前的内存【堆转储快照】文件以便进行分析。

/**
 * VM Args:-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 
 */
 public class HeapOOM {

    static class OOMObject {
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();

        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

运行结果:

Java堆内存的OOM异常是实际应用中最常见的内存溢出异常情况。出现Java堆内存溢出时,异常堆栈信息“java.lang.OutOfMemoryError”会跟着进一步提示“Java heap space”。

如何解决堆内存溢出异常?

首先要确定内存中导致OOM的对象是否是必要的,也就是到底是【内存泄露】(Memory Leak)还是【内存溢出】(Memory Overflow)造成的。

  • 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】。于是就能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自动回收它们,根据泄露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露的代码的具体位置。

  • 如果不存在泄露,换句话说,就是内存中的对象确实都还必须存活着,那就应当检查虛拟机的堆参数(-Xmx与-Xms ) 设置,与机器物理内存对比,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、持有状态时间过长的情况,尝试减少程序运行期的内存消耗。

1.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

由于在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,但实际上是无效的,栈容量只由-Xss参数设定。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.如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间,则抛出 OutOfMemoryError 异常。

注意:HotSpot虚拟机是不支持栈的动态扩展的。

所以,除非在【创建线程申请内存时】无法获得足够内存会出现OutOfMemoryError异常,否则线程在运行时不会因为扩展而导致内存溢出。

笔者给了我们两个实验,让我们在单线程情况下,尝试下面两种行为是否导致HotSpot产生OutOfMemoryError。

- 使用-Xss参数减少栈内存容量
- 定义大量的本地变量,增大此方法帧中本地变量表的长度。

他们两的结果都为无法让虚拟机产生OutOfMemoryError异常,尝试的结果都是获得StackOverflowError异常,异常出现时输出的堆栈深度相应缩小。

总结:在单个线程下,无论是由于栈帧(一个方法中包含的本地变量数)太大还是虚拟机栈容量(-Xss参数减少每个线程栈内存容量)太小,当内存无法分配的时候,虚拟机拋出的都是StackOverflowError异常。

我们需要注意在多线程情况下,为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。因为每个线程分配到的栈容量越大,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。

如果我们使用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,所以只能说在大多数情况下)达到1000〜2000完全没有问题,对于正常的方法调用(包括递归),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】的方式来换取更多的线程。

1.3 方法区和运行时常量池溢出

首先我们要知道的是在JDK8中完全使用元空间代替永生代。

然后我们再来了解一个本地方法String::intern()。

该方法的作用是: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JDK6之前,由于常量池分配在永生代中,我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小,从而间接限制其中常量池的容量。

但是在JDK7起,原本放在永生代的字符串常量池被移植Java堆之中,溢出要看输出信息具体是哪个对象。

书中有意思的便是下面这个例子:

public class RuntimeConstantPoolOOM {

    public static void main(String[] args) {
        public static void main(String[] args) {
        String str1 = new StringBuilder("中国").append("钓鱼岛").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);

        String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }   }
}

这段代码在JDK 1.6中运行,会得到两个false,而在JDK 1.7中运行,会得到一个true和一 个false。

结论:原因就是JDK7起intern()方法不需要再拷贝字符串的实例到永生代了,
字符串常量池已经移到了Java堆中,只需要在常量池中记录首次出现的实例引用即可,
因此intern( ) 返回的引用和由StringBuilder()创建的那个字符串实例是同一个。

对str2比较返回false是因为“java”这个字符串在执行StringBuilder.toString ( ) 之前
已经出现过(其他类已经加载过这个字符串进入常量池),字符串常量池中已经有它的引用了,
不符合“ 首次出现” 的原则,而“计算机软件”这个字符串则是首次出现的,因此返回true。

方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常,一个类要被垃圾收集器回收掉,判定条件是比较苛刻的。

在经常动态生成大量Class的应用场景中,需要特别注意这些类的回收状况。这类场景除了上面提到的程序使用了CGLib字节码增强和动态语言之外,常见的还有:大量JSP或动态产生JSP文件的应用(JSP第一次运行时需要编译为Java类 )、基于OSGi的应用(即使是同一个类文件,被不同的加载器加载也会视为不同的类)等。

HotSpot提供了一些参数作为元空间的防御措施:

-XX:MaxMetaspaceSize
-XX:MetaspaceSize
-XX:MinMetaspaceFreeRatio

1.4 本机直接内存溢出

DirectMemory容量可通过-XX : MaxDirectMemorySize指定,如果不指定,则默认与Java堆最大值(-Xmx指定)一样。

由DirectMemory导致的内存溢出,一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见明显的异常,如果读者发现OOM之后Dump文件很小,而程序中又直接或间接使用了NIO,那就可以考虑检查一下是不是这方面的原因。

参考图书:《深入理解Java虚拟机-Java高级特性与最佳实战》第3版

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