《深入理解Java虚拟机》读书笔记之——实战：OutOfMemo

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（OOM）异常的可能。

1.1 Java堆溢出

溢出原因：Java堆用于存储对象实例，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，那么在对象数量到达最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。

处理操作：① 如果是内存泄漏，查看泄露对象到GC Roots的引用链，定位泄露代码位置。② 内存溢出：如果不存在泄露，即内存中的对象确实都还必须活着，检查JVM堆参数（-Xmx与-Xms），调大参数；检查代码是否存在某些对象生命周期过长，持有状态过长的情况，减少程序运行期的内存消耗。

/**
 * Java堆溢出
 * VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * 限制Java堆的大小为20MB，不可扩展（将-Xms和-Xmx设置成一样即可避免堆自动扩展）
 */
public class HeapOOM {
    static class OOMObject{

    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();

        while (true){
            // list保留引用，避免Full GC回收
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

运行结果：
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid1040.hprof ...
Heap dump file created [28176401 bytes in 0.109 secs]

1.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

① StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度

溢出原因：递归调用方法，定义大量的本地变量，增大此方法帧中本地变量表的长度。

处理操作：出现StackOverflowError异常时有错误堆栈可以阅读，比较容易找到问题所在。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。

/**
 * 虚拟机栈和本地方法栈溢出 StackOverFlow
 * VM Args: -Xss128k(设置栈容量为128k)
 */
public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;

    // 递归调用方法，定义大量的本地变量，增大此方法帧中本地变量表的长度
    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：
stack length: 995
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at chapter2.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:16)
at chapter2.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:17)
at chapter2.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:17)
at chapter2.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:17)

② OutOfMemoryError： 虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间

溢出原因：多线程方式造成内存溢出（每个线程内存较大）

处理操作：多线程下的内存溢出，与栈空间是否足够大并不存在任何联系。为每个线程的栈分配的内存越大（参数-Xss），那么可以建立的线程数量就越少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽，越容易内存溢出。在这种情况下，如果不能减少线程数目或者更换64位虚拟机时，减少最大堆和减少栈容量能够换取更多的线程。

/**
 * 虚拟机栈和本地方法栈溢出 OutOfMemoryError
 * VM Args: -Xss2M(这时候不放设置大些)
 */
public class JavaVMStackOOM {
    private void dontStop() {
        while(true) {

        }
    }

    // 多线程方式造成栈内存溢出 OutOfMemoryError
    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();
    }
}

1.3 方法区和运行时常量池溢出

① 运行时常量池

String.intern()是一个Native方法，它的作用是：如果运行时常量池中已经包含一个等于此String对象内容的字符串，则返回常量池中该字符串的引用；如果没有，则在常量池中创建与此String内容相同的字符串，并返回常量池中创建的字符串的引用。JDK7的intern()方法的实现有所不同，当常量池中没有该字符串时，不再是在常量池中创建与此String内容相同的字符串，而改为在常量池中记录堆中首次出现的该字符串的引用，并返回该引用。

/**
 * 运行时常量池溢出
 *
 * jdk1.7 及其以后的版本已经“去永久代”，jdk1.6之前的环境下运行才会出现溢出
 * -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M （间接指定常量池容量大小）
 */

public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        int i = 0;
        while(true) {
            // list保留引用，避免Full GC 回收
            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)
......

② 方法区

溢出原因：方法区用于存放Class的相关信息，如果运行时产生大量的类去填满方法区，就可能发生方法区的内存溢出。 例如主流框架Spring、Hibernate对大量的类进行增强时，利用CGLib字节码生成动态类；大量JSP或动态JSP(JSP第一次运行时需要编译为Java类）。

1.4 本机直接内存溢出

Java虚拟机可以通过参数-XX:MaxDirectMemorySize设定本机直接内存可用大小，如果不指定，则默认与java堆内存大小相同。JDK中可以通过反射获取Unsafe类(Unsafe的getUnsafe()方法只有启动类加载器Bootstrap才能返回实例)直接操作本机直接内存。通过使用-XX:MaxDirectMemorySize=10M，限制最大可使用的本机直接内存大小为10MB。

/**
 * 本机直接内存溢出
 * VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 */

public class DirectMemoryOOM {

    private static final int _1MB = 1024 * 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 直接想操作系统申请内存
            unsafe.allocateMemory( _1MB );
        }
    }
}

运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
......

这种异常的明显特征是在Heap Dump文件中看不见明显的异常。如果OOM之后Dump的文件比较小，程序中直接或间接用到了IO/NIO，可以考虑是否是这方面的原因。