Java 内存溢出分析

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1、前言

Java 的 JVM 的内存通常可分为 3 个区：堆（heap）、栈（stack）和方法区（method）。

1.1 堆区

1）存储的所有是对象，每一个对象都包含一个与之对应的 Class 的信息，Class 的目的是获得操做指令；

2）JVM 只有一个堆区（heap）被全部线程共享，堆中不存放基本类型和对象引用，只存放对象自己。

1.2 栈区

1）每一个线程包含一个栈区，栈中只保存基础数据类型的对象和自定义对象的引用（不是对象），对象都存放在堆区中；

2）每一个栈中的数据(原始类型和对象引用)都是私有的，其余栈不能访问；

3）栈分为3个部分：基本类型变量区、执行环境上下文、操做指令区（存放操做指令）。

1.3 方法区

1）又叫静态区或永久代，跟堆同样，被全部的线程共享。方法区包含全部的 Class 和 static 变量；

2）方法区中包含的都是在整个程序中永远惟一的元素，如 Class，static 变量；

3）运行时常量池都分配在 Java 虚拟机的方法区之中，可是从 JDK 1.7 的 HotSpot 虚拟机开始中，已经把本来放在永久代的字符串常量池移出了。

2、内存溢出分析

如下代码验证，建议使用 JDK 1.6，由于从 JDK 1.7 开始，HotSpot 虚拟机改进了不少，特别是方法区（永久代）。

2.1 Java 堆溢出

Java堆是用于存储对象实例的，所以，只要咱们不断建立对象，而且保证对象不被垃圾回收机制清除，那么当堆中对象的大小超过了最大堆的容量限制，就会出现堆内存溢出。

堆溢出常见的异常是：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space。

下面这段代码，将Java堆的大小设置为 20MB，而且不可扩展（即将堆的最小值 -Xms 参数和最大值 -Xmx 参数设置为相等的 20MB，来避免堆自动扩展）；经过参数 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 可让虚拟机在出现内存溢出异常时生成当前内存堆的快照，以便过后进行分析；-verbose:gc 的做用是在虚拟机发生内存回收时在输出设备显示信息。

package com.java.error; import java.util.ArrayList; import java.util.List; /** * VM Args:-verbose:gc -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError * Error:java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space * @author moonxy * */
public class HeapOOM { public static void main(String[] args) { List<HeapOOM> list = new ArrayList<HeapOOM>(); while(true) { list.add(new HeapOOM()); } } }

运行后显示以下：

[GC (Allocation Failure)  5380K->3745K(19968K), 0.0042158 secs]
[GC (Allocation Failure)  9287K->9710K(19968K), 0.0058399 secs]
[Full GC (Ergonomics)  9710K->7589K(19968K), 0.1200134 secs]
[Full GC (Ergonomics)  16387K->12869K(19968K), 0.1112792 secs]
[Full GC (Ergonomics)  16428K->16382K(19968K), 0.1711686 secs]
[Full GC (Allocation Failure)  16382K->16370K(19968K), 0.1371103 secs]
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid1204.hprof ...
Heap dump file created [28024534 bytes in 0.077 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.java.error.OutOfMemoryJavaHeapSpaceTest.main(OutOfMemoryJavaHeapSpaceTest.java:19)

控制台打印了OutOfMemoryError，而且提示是Java heap发生的内存溢出，同时生成了dump文件。对于Java堆溢出，通常经过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对dump文件进行堆快照分析，确认内存中的对象是否是必要的：

若是对象不是必要的，那就属于内存泄漏，须要分析为何对象没有被回收；

若是对象确实有必要继续存在，那就属于内存溢出，须要经过将堆的大小调高（-Xms 和 -Xmx）来避免内存溢出。

此处比较一下内存泄漏和内存溢出这两个概念，二者一般一块儿说，可是两个倒是不一样的概念，彼此之间又有联系，以下：

内存泄漏 memory leak：是指程序在申请内存后，没法释放已经申请的内存空间，一次内存泄露彷佛不会有大的影响，但内存泄漏堆积后的后果就是内存溢出；

内存溢出 out of memory：是指程序申请内存后，没有足够的内存供申请者使用或将 long 类型的数据存储到 int 类型的存储空间时，就会出现 OOM 错误。

2.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

因为HotSpot虚拟机不区分虚拟机栈和本地方法栈，所以，对于 HotSpot 来讲，-Xoss参数（设置本地方法栈大小）是无效的，栈容量只由 -Xss 设置。

在Java虚拟机规范中，这个区域有两种异常状况：

若是线程运行时的栈帧的总大小超过虚拟机限制的大小，会抛出 StackOverflowError，这一点一般发生在递归运行时，栈溢出容易出现：java.lang.StackOverflowError；

若是虚拟机栈设置为能够动态扩展，而且在扩展时没法申请到足够内存，则会抛出 OutOfMemoryError，此时容易出现：java.lang.OutOfMemoryError: unable to create native thread。

StackOverflowError

/** * VM Args：-Xss128k * Error:java.lang.StackOverflowError * @author moonxy */
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; } } }

运行后显示以下：

994
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at com.java.error.StackOverflowTest.StackOver(StackOverflowTest.java:15)
	at com.java.error.StackOverflowTest.StackOver(StackOverflowTest.java:16)
	at com.java.error.StackOverflowTest.StackOver(StackOverflowTest.java:16)
	at com.java.error.StackOverflowTest.StackOver(StackOverflowTest.java:16)
	at com.java.error.StackOverflowTest.StackOver(StackOverflowTest.java:16)
　　　　　……

OutOfMemoryError

不建议执行以下验证，容易发生系统假死，由于在 Windows 平台的虚拟机中，Java 线程是映射到操做系统的内核线程中的。

/** * VM Args:-verbose:gc -Xss2m * Error:java.lang.OutOfMemoryError: unable to create native thread * @author moonxy * */
public class JavaVMStackOOM { private void dontStop() { while(true) { } } public void stackLeakByThread() { while(true) { Thread thread = new Thread(new Runnable(){ @Override public void run() { dontStop(); } }); thread.start(); } } public static void main(String[] args) { JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM(); oom.stackLeakByThread(); } }

运行后显示以下：

java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

线程须要消耗栈容量，而操做系统分配给每一个进程的内存是有限制的。考虑以下场景：系统总内存 6G，JVM分配了 2G 内存，其中堆内存分配了 1G，方法区（永久代）分配 512M，忽略其余较小的内存分配，则剩余分配给虚拟机栈和本地方法栈的内存就只有512M，颇有可能没有足够的可用内存建立不少的线程。就有可能出现 java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread。若是是这种状况，考虑减少堆内存大小或适当减小每一个线程的栈分配大小。

线程会占用内存，若是每一个线程都占用更多内存，总体上将消耗更多的内存。每一个线程默认占用内存大小取决于 JVM 实现。能够利用 -Xss 参数限制线程内存大小，下降总内存消耗。例如，JVM 默认每一个线程占用 1M 内存，应用有 500个 线程，那么将消耗 500M 内存空间。若是实际上 256K 内存足够线程正常运行，配置 -Xss256k，那么 500 个线程将只须要消耗 125M 内存。（注意，若是 -Xss 设置的太低，又将会产生 java.lang.StackOverflowError 错误）

2.3 方法区溢出

方法区存储的是虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、JIT 编译器编译后的代码等数据，在 JDK1.7以前，HotSpot 都是使用 "永久代" 来管理这些数据，也就是说，方法区的数据，其实也是属于堆内存的，会占用堆内存。

所以：方法区的数据大小 < -XX:MaxPermSize < -Xmx

咱们只要限制一下永久代的大小（-XX:MaxPermSize），很容易就会发生方法区溢出，此时方法区容易出现：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space。能够经过设置 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 来限制方法区大小。

/** * VM Args:-verbose:gc -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M * Error:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space * @author moonxy * */
public class OutOfMemoryPermGenSpaceTest { public static void main(String[] args) { List<String> oomPgsList = new ArrayList<String>(); int i = 0; while(true) { oomPgsList.add(String.valueOf(i++).intern()); } } }

运行后结果以下：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

若是咱们在 JDK 1.7 的环境下执行上面一样的代码，会发现 while 循环会一直执行下去。缘由是在 JDK 1.7 中，HotSpot 已经再也不将常量放入永久代中进行管理，而是放到内存上限是本机内存的 Native Memory 中，这样作的好处就是减小了内存溢出的概率（没有了-XX:MaxPermSize 的限制），同时常量再也不占用堆的内存。这种 "去永久代" 的作法，从 JDK 1.7 已经开始进行。终于在 JDK 1.8 中，被完全的执行了，永久代被完全去掉了，同时 HotSpot 新增了一块叫作 Mataspace 的区域，并提供了 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 参数，来设置运行 Java 虚拟机使用的 Metaspace 的初始容量和最大容量。

2.4 本机直接内存溢出

直接内存（Direct Memory）并非虚拟机运行时数据区的一部分，也不是 Java 虚拟机规范中定义的内存区域。可是这部份内存也被频繁的使用，并且也可能致使 OutOfMemoryError 出现，即：java.lang.OutOfMemory。

本机直接内存的容量能够经过 -XX:MaxDirectMemorySize 指定，若是不指定，默认与 Java 堆最大值（-Xmx指定）同样。

本机直接内存溢出的一个明显特征是，dump 文件很小，由于主要对象都在 direct memory了，而且异常信息也不会说明是在哪一个区域发生内存溢出，就像这样：java.lang.OutOfMemoryError

/** * * VM Args:-verbose:gc -XX:MaxDirectMemorySize * Error:java.lang.OutOfMemory * @author moonxy * */
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); } } }

运行结果以下：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError

综上，当 Java 应用比较大时，能够设置以下的 JVM 参数：

-Xms256m -Xmx1024m -XX:PermSize=256m -XX:MaxPermSize=512m

注意：

方法区存储的对象类型在 JDK 1.六、1.七、1.8 等不一样的 JDK 版本中都有变化，在具体的开发中，须要特别注意 JDK 版本的不一样，而致使的一些差别。

JDK 1.6 以后提供了 jvisualvm 工具，用于监控 JVM 内存的使用状况，一般在 jdk 的 bin 目录下，直接运行 jvisualvm.exe，能够监控内存泄露、跟踪垃圾回收、运行时内存、cpu 分析、线程分析等。