深入理解Java虚拟机:OutOfMemory实战

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深入理解Java虚拟机:OutOfMemory实战

小龙猫 2016-05-09 16:32:24 浏览3022
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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OOM)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。

本节内容的目的有两个:第一,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;第二,希望读者在工作中遇到实际的内存溢出异常时,能根据异常的信息快速判断是哪个区的内存溢出,知道什么样的代码可能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,在调试代码的时候千万不要忽略。如果使用控制台命令来执行程序,那直接跟在Java命令后书写就可以。如果使用的是Eclipse IDE,则可以参考下图在Debug/Run页签中的设置:

165248_aL5V_1434710.png

下文的代码都是基于Sun公司的HotSpot虚拟机运行的,对于不同公司的不同版本的虚拟机,参数和程序运行的结果可能会有所差别。

Java堆溢出 

Java堆用于存储对象实例,只要不断的创建对象,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来清除这些对象,那么对象数量到达最大堆容量限制后就会产生内存溢出异常。

下面代码中,Java堆的大小限制为20M,不可扩展(将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx最大值参数设置为一样,避免自动扩展)通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError,可以让虚拟机在出现内存溢出时Dump出当前的内存转储快照以便事后进行分析。 

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/**
 * 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:

164911_le11_1434710.png

Java堆内存的OOM异常时实际应用中常见的内存溢出异常情况。当出现Java对内存溢出时,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,一般的手段是先通过内存映像工具如(Eclipse MemoryAnalyzer)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,也就是要先分析到底是出现了内存泄露(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow)。

如果是内存泄露,可进一步通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链,于是就能找到泄露对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾回收器无法自动回收它们的。掌握了泄露对象的类型信息及GC Roots引用链的信息,就可以比较容易确定发生泄露的代码位置。 

如果不存在内存泄露,换句话说,就是内存中的对象确实都还必须存活着,那就应当检查虚拟机堆参数(-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,虽然-Xoss参数(设置本地方法栈大小)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可以出现以下两周异常: 

  • 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 

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

下面这个例子,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需积极产生OutOfMemoryError异常,尝试的结果都是获得StackOverflowError异常:

  • 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的深度相应缩小 

  • 定义了大量的本地变量,增大此方法帧中本地变量表的长度。结果:抛出StackOverflowError异常时输出的堆栈深度相应减小。 

测试代码如下:

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/**
 * VM Args: -Xss128K
 */
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:

171337_Y62j_1434710.png

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容量太小,当内存无法分配的时候虚拟机都抛出的是StackOverflowError。 

如果测试不限于单线程,通过不断的建立线程的方式倒是可以产生内除溢出异常,但是这样产生的内存溢出与栈空间是否够大不存在任何联系,或者说,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。

原因是,操作系统分配给每个线程的内存是有限的,譬如32位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2G(操作系统内存)减去Xmx(堆最大容量),再减去MaxPermSize(最大方法区容量),程序计数器消耗的内存很小,可以忽略。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。每个线程分配到栈容量越大,可以建立的线程数自然越少,建立线程时越容易把剩余的内存耗尽。

这一点需要在开发多线程的应用时特别注意,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来换取更多的线程了。如果没有这方面的处理经验,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。

以下代码通过创建多线程导致内存溢出异常:

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/**
 * VM Args: -Xss2M(这时候不妨设置大些)
 */
public class JavaVMStackOOM {
 
    private void dontStop() {
        while(true) {}
    }
     
    public void stackLeakByThread() {
        while(true) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            });
             
            thread.start();
        }
    }
     
    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}

注意:特别提示一下,如果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的线程时映射到操作系统的内核线程上的,因此上述代码执行时有较大风险,可能会导致操作系统假死。

运行结果:

093236_urpG_1434710.png

方法区和运行时常量池溢出

由于运行时常量池是方法去的一部分,因此这两个区域的溢出测试可以放在一起进行。

String.intern()方法是一个native方法,它的作用是: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;否则,将此String对象包含的字符串添加到常量池中,并返回此String对象的引用。 在JDK1.6及之前的版本中,由于常量池分配在永久代中,我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小,从而间接限制其中常量池的容量,代码如下:

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import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
 
/**
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
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int范围内足够产生OOM了
        int i = 0;
        while(true) {
            //调用intern方法,将字符串全部放在常量池中
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

运行结果(JDK1.6 HotSpot JVM):

193026_UmRn_1434710.png

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。

方法区用于存放Class相关信息,如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这些区域的测试,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。这里借助CGLib直接操作字节码运行时生成了大量的动态类。

值得注意的是,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:当前很多主流框架如Spring、Hibernate,在对类进行增强时,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可以载入内存。另外,JVM上的动态语言(例如Groovy等)通常都会持续创建类来实现语言的动态性,随着这类语言越来越流行,也越来越容易遇到以下代码类似的溢出场景:

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import java.lang.reflect.Method;
import com.jvm.oom.HeapOOM.OOMObject;
import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;
 
/**
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class JavaMethodAreaOOM{
 
    public static void main(String[] args) {
        while(true){
            Enhancer e = new Enhancer();
            e.setSuperclass(OOMObject.class);
            e.setUseCache(false);
            e.setCallback(new MethodInterceptor(){
                public Object intercept(Object obj, Method method, 
                        Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable{
                    return proxy.invokeSuper(obj,args);
                }
            });
            e.create();
        }
    }
}

运行结果:

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Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

方法区的溢出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,判断条件是比较苛刻的。在经常动态生成大量Class应用中,需要特别注意类的回收情况。这类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: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示例,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()。

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import java.lang.reflect.Field;
import sun.misc.Unsafe;
 
/**
 * VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 */
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:

092714_85sz_1434710.png

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,如果发现OOM之后文件很小,而程序中有直接或简介使用了NIO,那就可以考虑一下是不是这方面的原因。

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