JVM 深入笔记（2）内存区溢出场景模拟

• 作者：柳大 · Poechant
• 电邮：zhongchao.ustc#gmail.com (#->@)
• 博客：blog.csdn.net/poechant
• 日期：Feb. 23^st 2012

《JVM 深入笔记（1）内存区域是如何划分的？》一文已经介绍了 JVM 对内存区域的划分与管理。在现实的编程过程中，会遇到一些 OutOfMemoryError (OOM) 的情形。通过模拟，我们可以直接点中这些场景的本质，从而在纷繁复杂的千万行代码中避免这样去 coding。导致 OOM 的情况有多种，包括 Java 或 Native Method Stack 的内存不足或者栈空间溢出、Heap 内存溢出、Non-heap 内存溢出、Direct Memory 溢出。

参考：《深入理解Java虚拟机》

1. Java Method Stack 栈溢出实验

什么时候会让 Java Method Stack 栈溢出啊？栈的基本特点就是 FILO（First In Last Out），如果 in 的太多而 out 的太少，就好 overflow 了。而 Java Method Stack 的功能就是保存每一次函数调用时的“现场”，即为入栈，函数返回就对应着出栈，所以函数调用的深度越大，栈就变得越大，足够大的时候就会溢出。所以模拟 Java Method Stack 溢出，只要不断递归调用某一函数就可以。

程序源码-1

// Author:  Poechant
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// Email:   zhognchao.ustc#gmail.com (#->@)
// Args:    -verbose:gc -Xss128K

package com.sinosuperman.main;

public class Test {

    private int stackLength = 0;

    public void stackOverflow() {
        ++stackLength;
        stackOverflow();
}

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        Test test = new Test();

        try {
            test.stackOverflow();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("stack length: " + test.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

运行结果

stack length: 1052
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at com.sinosuperman.main.Test.stackOverflow(Test.java:8)
    at com.sinosuperman.main.Test.stackOverflow(Test.java:9)
    at com.sinosuperman.main.Test.stackOverflow(Test.java:9)
    at com.sinosuperman.main.Test.stackOverflow(Test.java:9)
    at com.sinosuperman.main.Test.stackOverflow(Test.java:9)
    ...

2. Java Method Stack 内存溢出实验

Heap 内存溢出

堆是用来存储对象的，当然对象不一定都存在堆里（由于逃逸技术的发展）。那么堆如果溢出了，一定是不能被杀掉的对象太多了。模拟 Heap 内存溢出，只要不断创建对象并保持有引用存在即可。

程序源码-2

// Author:  Poechant
// Blog:    blog.csdn.net/poechant
// Email:   zhongchao.ustc#gmail.com (#->@)
// Args:    -verbose:gc -Xmx50m -Xms50m

package com.sinosuperman.main;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Test {

    private static class HeapOomObject {
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<HeapOomObject> list = new ArrayList<HeapOomObject>();
        while (true) {
           list.add(new HeapOomObject());
        }
    }
}

运行结果

[GC 17024K->14184K(49088K), 0.1645899 secs]
[GC 26215K->29421K(49088K), 0.0795283 secs]
[GC 35311K(49088K), 0.0095602 secs]
[Full GC 43400K->37709K(49088K), 0.1636702 secs]
[Full GC 49088K->45160K(49088K), 0.1609499 secs]
[GC 45312K(49088K), 0.0265257 secs]
[Full GC 49088K->49087K(49088K), 0.1656715 secs]
[Full GC 49087K->49087K(49088K), 0.1656147 secs]
[Full GC 49087K->49062K(49088K), 0.1976727 secs]
[GC 49063K(49088K), 0.0287960 secs]
[Full GC 49087K->49087K(49088K), 0.1901410 secs]
[Full GC 49087K->49087K(49088K), 0.1673056 secs]
[Full GC 49087K->316K(49088K), 0.0426515 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at com.sinosuperman.main.Test.main(Test.java:14)

3. Method Area 内存溢出

也就是 Non-heap，是用来存储 Object Class Data、常量、静态变量、JIT 编译后的代码等。如果该区域溢出，则说明某种数据创建的实在是太多了。模拟的话，可以不断创建新的 class，直到溢出为止。

以下代码使用到 cglib-2.2.2.jar 和 asm-all-3.0.jar。

程序源码-3

package com.sinosuperman.main;

import java.lang.reflect.Method;

import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

public class Test {
    static class MethodAreaOomObject {
    }
    public static void main(String[] args) {
        while(true){
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(MethodAreaOomObject.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args,
                        MethodProxy proxy) throws Throwable {
                    return proxy.invoke(obj, args);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }
}

运行结果

Exception in thread "main" net.sf.cglib.core.CodeGenerationException:   java.lang.reflect.InvocationTargetException-->null
    at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:237)
    at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:377)
    at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:285)
    at com.sinosuperman.main.Test.main(Test.java:24)
Caused by: java.lang.reflect.InvocationTargetException
    at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1.invoke(Unknown Source)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:25)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:597)
    at net.sf.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:384)
    at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:219)
    ... 3 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
    at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(ClassLoader.java:631)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:615)
    ... 8 more

4. Runtime Constant Pool in Method Area 内存溢出

在运行时产生大量常量就可以实现让 Method Area 溢出的目的。运行是常量可以用 String 类的 intern 方法，不断地产生新的常量。

程序源码-4

package com.sinosuperman.main;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

运行结果

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.String.intern(Native Method)
    at com.sinosuperman.main.Test.main(Test.java:12)

结语

在实际编码中要尽量避免此类错误。不过大多数程序设计的结构比这里的示例要复杂的多，使得问题被隐藏。但 JVM 的内存溢出问题本质上大都可归结为以上这几种情况。

JVM 深入笔记（1）内存区域是如何划分的？

JVM 深入笔记（2）各内存区溢出场景模拟

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