JVM学习笔记系列（二）

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（也就是大家常说的OOM）异常的可能，大概分类有以下几种：

1. Java堆溢出
2. 虚拟机栈和本地方法栈溢出
3. 运行时常量池溢出
4. 方法区溢出
5. 本机直接内存溢出

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以便事后进行分析。

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

/**
 * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * @author jianshi.dlw
 */
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.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid4248.hprof ...
Heap dump file created [10878947 bytes in 0.137 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2760)
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2734)
	at java.util.ArrayList.ensureCapacity(ArrayList.java:167)
	at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:351)
	at HeapOOM.main(HeapOOM.java:14)

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”。

要解决这个区域的异常，一般的手段是首先通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必要的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）。
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路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄漏对象的类型信息，以及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。
如果不存在泄漏，换句话说就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xmx与-Xms），与机器物理内存对比看是否还可以调大，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。

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：

 

• 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。
• 如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

这里把异常分成两种情况看似更加严谨，但却存在着一些互相重叠的地方：当栈空间无法继续分配时，到底是内存太小，还是已使用的栈空间太大，其本质上只是对同一件事情的两种描述而已。
如果将实验范围限制于单线程中的操作，尝试了下面两种方法均无法让虚拟机产生OutOfMemoryError异常，尝试的结果都是获得StackOverflowError异常，测试代码如下所示。
使用-Xss参数减少栈内存容量。结果：抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的栈深度相应缩小。
定义了大量的本地变量，增加此方法帧中本地变量表的长度。结果：抛出StackOverflowError异常时输出的栈深度相应缩小。

/**
 * VM Args：-Xss128k
 * @author jianshi.dlw
 */
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;
		}
	}
}

运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:9)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:10)
.......

实验结果表明：在单个线程下，无论是由于栈帧太大，还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。
如果测试时不限于单线程，通过不断地建立线程的方式倒是可以产生内存溢出异常，如下面的代码所示。但是，这样产生的内存溢出异常与栈空间是否足够大并不存在任何联系，或者准确地说，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位的Windows限制为2GB。虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区的这两部分内存的最大值。剩余的内存为2GB（操作系统限制）减去Xmx（最大堆容量），再减去MaxPermSize（最大方法区容量），程序计数器消耗内存很小，可以忽略掉。如果虚拟机进程本身耗费的内存不计算在内，剩下的内存就由虚拟机栈和本地方法栈“瓜分”了。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。
在开发多线程应用的时候特别注意，出现StackOverflowError异常时有错误堆栈可以阅读，相对来说，比较容易找到问题的所在。而且，如果使用虚拟机默认参数，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）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来换取更多的线程。如果没有这方面的经验，这种通过“减少内存”的手段来解决内存溢出的方式会比较难以想到。

/**
 * VM Args：-Xss128k
 * @author jianshi.dlw
 */
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;
		}
	}
}

注意：特别提示一下，如果需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的，所以上述代码执行时有较大的风险，可能会导致操作系统假死。

运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.
OutOfMemoryError: unable to create new native thread 

运行时常量池溢出
如果要向运行时常量池中添加内容，最简单的做法就是使用String.intern()这个Native方法。该方法的作用是：如果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；否则，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。由于常量池分配在方法区内，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，如代码所示。

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

/**
 * VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author jianshi.dlw
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {

	public static void main(String[] args) {
		// 使用List保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
		List<String> list = new ArrayList<String>();
		// 10MB的PermSize在integer范围内足够产生OOM了
		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 RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:16)

从运行结果中可以看到，运行时常量池溢出，在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是“PermGen space”，说明运行时常量池属于方法区（HotSpot虚拟机中的永久代）的一部分。

方法区溢出
方法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这个区域的测试，基本的思路是运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。虽然直接使用Java SE API也可以动态产生类（如反射时的GeneratedConstructorAccessor和动态代理等），但在本次实验中操作起来比较麻烦。在下面代码中，借助CGLib直接操作字节码运行时，生成了大量的动态类。
值得特别注意的是，我们在这个例子中模拟的场景并非纯粹是一个实验，这样的应用经常会出现在实际应用中：当前的很多主流框架，如Spring和Hibernate对类进行增强时，都会使用到CGLib这类字节码技术，增强的类越多，就需要越大的方法区来保证动态生成的Class可以加载入内存。

/**
 * VM Args： -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author jianshi.dlw
 */
public class JavaMethodAreaOOM {

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

	}
}

运行结果：

    Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space  
    at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)  
    at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(ClassLoader.java:632)  
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:616)  
    ... 8 more 

方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常，一个类如果要被垃圾收集器回收掉，判定条件是非常苛刻的。在经常动态生成大量Class的应用中，需要特别注意类的回收状况。这类场景除了上面提到的程序使用了GCLib字节码增强外，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。

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堆的最大值（-Xmx指定）一样。下面的代码越过了DirectByteBuffer类，直接通过反射获取Unsafe实例并进行内存分配（Unsafe类的getUnsafe()方法限制了只有引导类加载器才会返回实例，也就是设计者希望只有rt.jar中的类才能使用Unsafe的功能）。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，于是手动抛出异常，真正申请分配内存的方法是unsafe.allocateMemory()。

/**
 * VM Args：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 * @author jianshi.dlw
 */
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);  
    }  
　}  
} 

运行结果：

    Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError  
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)  
    at org.fenixsoft.oom.DMOOM.main(DMOOM.java:20)