Java8虛擬機（JVM）內存溢出實戰
- 2019 年 10 月 3 日
- 筆記
前言
相信很多JAVA中高級的同學在面試的時候會經常碰到一個面試題
你是如何在工作中對JVM調優和排查定位問題的？
事實上，如果用戶量不大的情況下，在你的代碼還算正常的情況下，在工作中除非真正碰到與JVM相關的問題是少之又少，就算碰到了也是由公司的一些大牛去排查解決，那麼我們又如何積累這方面的經驗呢？下面由沖鍋帶大家一起來實踐JVM的調優吧
注意我們平常所說的JVM調優一般指Java堆，Java虛擬機棧參數調優
Java堆溢出
先來一段代碼示例，注意筆者用的是IDEA工具，需要配置一下VM options 為-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，如果不清楚的百度一下如何配置idea的JVM運行參數
package com.example.demo.jvm; import java.util.ArrayList; import java.util.List; /** * @Author: Wang Chong * @Date: 2019/9/22 9:37 * @Version: V1.0 */ public class HeapOutMemoryTest { static class ChongGuo { } public static void main(String[] args) { List<ChongGuo> chongGuos = new ArrayList<>(); while (true) { chongGuos.add(new ChongGuo()); } } } 運行結果如下：
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space Dumping heap to java_pid9352.hprof ... Heap dump file created [28701160 bytes in 0.122 secs] Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210) at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181) at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261) at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235) at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227) at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458) at com.example.demo.jvm.HeapOutMemoryTest.main(HeapOutMemoryTest.java:18) Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:54599', transport: 'socket'可以看到控制台出現java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space的錯誤，這是為什麼呢，首先先解釋一下上面的運行參數
-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
- -Xms20m:設置JVM最小內存為20m。此值可以設置與-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成後JVM重新分配內存
- -Xmx20m:設置JVM最大可用內存20M
- -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 表示當JVM發生OOM時，自動生成DUMP文件
下面我們分析一下出錯的原因，用JProfiler分析一下，打開剛才生成的名為java_pid9352.hprof的dump文件。可以看到根據（InstanceXcount和Size）基本可以確定哪個類的對象出現問題,在上面示例中，可以是ChongGuo這個實例生在數量的大小已經超過12M，但沒有超過20M，那麼新問題又來了？沒到20M為啥會報堆內存溢出呢？
答案就是JDK8中堆內存中還包括Metaspace,即元內存空間，在元空間出現前JDK1.7之前在JDK7以及其前期的JDK版本號中。堆內存通常被分為三塊區域Nursery內存(young generation)、長時內存(old generation)、永久內存(Permanent Generation for VM Matedata)，如下圖
當中最上一層是年輕代，一個對象被創建以後首先被放到年輕代中的Eden內存中，假設存活期超兩個Survivor之後就會被轉移到長時內存中(Old Generation)中永久內存中存放着對象的方法、變量等元數據信息。通過假設永久內存不夠。我們就會得到例如以下錯誤：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen
而在JDK8中情況發生了明顯的變化，就是普通情況下你都不會得到這個錯誤，原因
在於JDK8中把存放元數據中的永久內存從堆內存中移到了本地內存(native memory)
中，JDK8中JVM堆內存結構就變成了例如以下：
如果我啟動VM參數加上：-XX:MaxMetaspaceSize=1m，重新運行一下上面的程序，
Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:56433', transport: 'socket' java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace Dumping heap to java_pid9232.hprof ... Heap dump file created [1604635 bytes in 0.024 secs] FATAL ERROR in native method: processing of -javaagent failed Exception in thread "main" Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:56433', transport: 'socket' Process finished with exit code 1可以發現報錯信息變成了java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace,說明元空間不夠，我改成到大概4m左右才能滿足啟動條件。
虛擬機棧和本地方法棧棧溢出
在Java虛擬機規範中描述了兩種異常：
- 如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的最大深度，將拋出StackOverflowError異常
-
如果虛擬機在擴展棧無法申請到足夠的內存空間，則拋出OutOfMemoryError異常
StackOverflowError比較好測試，測試代碼如下：
package com.example.demo.jvm; /** * @Author: Wang Chong * @Date: 2019/9/22 19:09 * @Version: V1.0 */ public class StackOverflowTest { /** * 棧大小 */ private int stackLength = 1; /** * 遞歸壓棧 */ public void stackLeak() { stackLength++; stackLeak(); } public static void main(String[] args) { StackOverflowTest stackOverflowTest = new StackOverflowTest(); try { stackOverflowTest.stackLeak(); } catch (Throwable e) { System.out.println("stack length is :" + stackOverflowTest.stackLength); throw e; } } } 運行結果如下：
Exception in thread "main" stack length is :20739 java.lang.StackOverflowError at com.example.demo.jvm.StackOverflowTest.stackLeak(StackOverflowTest.java:20) at com.example.demo.jvm.StackOverflowTest.stackLeak(StackOverflowTest.java:20)在VM參數-Xss參數未設置的情況下，該線程的內存支持的棧深度為20739，該測試結果與機器的內存大小有關，不過上面的第二點如何測試呢？正常來說如果是單線程，則難以測試內存泄露的情況，那麼多線程呢？我們看一下以下測試代碼：
package com.example.demo.jvm; /** * @Author: Wang Chong * @Date: 2019/9/22 19:09 * @Version: V1.0 */ public class StackOOMTest implements Runnable{ /** * 棧大小 */ private int stackLength = 1; /** * 遞歸壓棧 */ public void stackLeak() { stackLength++; stackLeak(); } public static void main(String[] args) { while (true){ StackOOMTest stackOverflowTest = new StackOOMTest(); new Thread(stackOverflowTest).start(); } } @Override public void run() { stackLeak(); } } 如果系統不假死的情況下，會出現Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError:unable to create new native thread
運行時常量池溢出
- 字符型常量池溢出，在JAVA8中也是堆溢出，測試代碼如下：
package com.example.demo.jvm; import java.util.ArrayList; import java.util.List; /** * @Author: Wang Chong * @Date: 2019/9/22 19:44 * @Version: V1.0 */ public class RuntimePoolOOMTest { public static void main(String[] args) { List<String> list = new ArrayList<>(); int i = 0; while (true) { list.add(String.valueOf(i).intern()); } } } 結果如下：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210) at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181) at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261) at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235) at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227) at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458) at com.example.demo.jvm.RuntimePoolOOMTest.main(RuntimePoolOOMTest.java:17) Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:50253', transport: 'socket'證明字符常量池已經在Java8中是在堆中分配的。
方法區溢出
在Java7之前，方法區位於永久代(PermGen)，永久代和堆相互隔離，永久代的大小在啟動JVM時可以設置一個固定值，不可變；Java8仍然保留方法區的概念，只不過實現方式不同。取消永久代，方法存放於元空間(Metaspace)，元空間仍然與堆不相連，但與堆共享物理內存，邏輯上可認為在堆中
測試代碼如下，為快速看出結果，請加入VM參數-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:MaxMetaspaceSize=10m：
package com.example.demo.jvm; import org.springframework.cglib.proxy.Enhancer; import org.springframework.cglib.proxy.MethodInterceptor; /** * @Author: Wang Chong * @Date: 2019/9/22 19:56 * @Version: V1.0 */ public class MethodAreaOOMTest { public static void main(String[] args) { while (true) { Enhancer enhancer = new Enhancer(); enhancer.setSuperclass(OOMObject.class); enhancer.setUseCache(false); enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (o, method, objects, methodProxy) -> methodProxy.invokeSuper(o, objects)); enhancer.create(); } } static class OOMObject { } }運行結果如下：
java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace Dumping heap to java_pid8816.hprof ... Heap dump file created [6445908 bytes in 0.039 secs] Exception in thread "main" org.springframework.cglib.core.CodeGenerationException: java.lang.reflect.InvocationTargetException-->null at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:345) at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492) at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:114) at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:291) at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480) at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:305) at com.example.demo.jvm.MethodAreaOOMTest.main(MethodAreaOOMTest.java:19) Caused by: java.lang.reflect.InvocationTargetException at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1.invoke(Unknown Source) at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43) at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498) at org.springframework.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:459) at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:336) ... 6 more Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method) at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763) ... 11 more Process finished with exit code 1元空間內存報錯，證明方法區的溢出與元空間相關。
總結如下：
- 正常JVM調優都是針對堆內存和棧內存、元空間的參數做相應的改變
- 元空間並不在虛擬機中，而是使用本地內存。因此，默認情況下，元空間的大小僅受本地內存限制，但可以通過以下參數來指定元空間的大小：
- -XX:MetaspaceSize，初始空間大小，達到該值就會觸發垃圾收集進行類型卸載，同時GC會對該值進行調整：如果釋放了大量的空間，就適當降低該值；如果釋放了很少的空間，那麼在不超過MaxMetaspaceSize時，適當提高該值。
- -XX:MaxMetaspaceSize，最大空間，默認是沒有限制的。
- 字符串池常量池在每個VM中只有一份，存放的是字符串常量的引用值,存放在堆中
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