【JVM原理】内存溢出分析

ゝ一纸荒年。 2022-05-21 12:05 239阅读 0赞

# 前言 #

Github：[https://github.com/yihonglei/jdk-source-code-reading][https_github.com_yihonglei_jdk-source-code-reading]（java-jvm）

[JVM内存结构][JVM]

[JVM类加载机制][JVM 1]

[JVM内存溢出分析][JVM 2]

[HotSpot对象创建、内存、访问][HotSpot]

[JVM垃圾回收机制(1)--如何判定对象可以回收][JVM_1_--]

[JVM垃圾回收机制(2)--垃圾收集算法][JVM_2_--]

[JVM垃圾回收机制(3)--垃圾收集器][JVM_3_--]

[JVM垃圾回收机制(4)--内存分配和回收策略][JVM_4_--]

# **一 内存溢出概述** #

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数据

区域都有发生内存溢出异常(OutOfMemoryError，简称OOM)的可能。

内存溢出就是在申请内存的时候，没有足够的内存，这个时候就会抛出内存溢出异常。

**内存溢出和内存泄漏的区别：**

内存泄漏是由于使用不当，把一部分内存“丢掉了”，导致这部分内存不可用。

当在堆中创建了对象，后来没有使用这个对象了，又没有把整个对象的相关引用设为 null。

此时垃圾收集器会认为这个对象是需要的，就不会清理这部分内存。

这就会导致这部分内存不可用。**所以内存泄漏会导致可用的内存减少，进而会导致内存溢出。**

# **二 运行时数据区** #

运行时数据区除了程序计数器外，还包括Java堆、虚拟机栈和本地方法栈、方法区。

关于jvm内存模型可以参考: [JVM内存模型][JVM]

除了运行时数据区会出现内存溢出外，还有一个本地直接内存也会发生内存溢出。

在对每个区域内存溢出分析前，需要先认识几个以下分析中会遇到的 JVM 参数：

**-XX:+HeapDumpOnOutofMemoryError** dump 的时候转储堆快照

**-Xms** 堆最小容量(heap min size)

**-Xmx** 堆最大容量(heap max size)

**-Xss** 栈容量(stack size)

**-XX:PermSize=size** 永生代最小容量

**-XX:MaxPermSize=size** 永生代最大容量

# **三 内存溢出实例分析** #

**注意: 以下代码实例执行前，需要先配置好相应的 JVM 参数在运行程序！**

**1、Java 堆溢出**

Java 堆用于存储对象的实例，只要不断地创建对象，并保证 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。

package com.lanhuigu.jvm.oom;
    
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    
    /**
     * VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     * 描述: -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 生成hprof文件，该文件在项目目录下
     */
    public class HeapOOM {
    
        static class OOMObject {
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
            while (true) {
                // 疯狂创建对象
                list.add(new OOMObject());
            }
        }
    
    }

**运行结果：**

![70][]

**代码分析：**

该段代码将 Java 堆的大小限制为 20MB，不可以扩展(将堆的最小值 -Xms 参数与最大值 -Xmx

参数设置为一样避免堆自动扩展)，通过 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 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用于分析。

这段代码疯狂的创建对象，虽然对象没有声明变量名引用，但是将对象添加到队列 list 中，

这样队列l就持有了一份对象的引用通过可达性算法(jvm 判断对象是否可被收集的算法)分析，

队列 list 作为 GC Root，每一个对象都是list的一个可达的节点，所以疯狂创建的对象不会

被收集，这就是内存泄漏，之后就会导致内存溢出。

程序运行完后，可以看到 java\_pid1216.hprof 文件生成了。然后通过 visualVM 工具进行

快照分析。visualVM 是 jdk 自带的可视化监视工具 visualVM，位置在 jdk 安装目录下的

bin 目录中，双击直接运行即可。

**分析依据，如果发生内存泄漏：**

1）找出泄漏的对象

2）找到泄漏对象的 GC Root

3）根据泄漏对象和 GC Root 找到导致内存泄漏的代码

4）想法设法解除泄漏对象与 GCRoot 的连接

**如果不存在泄漏：**

1）检查虚拟机堆参数，与物理集群内存对比，看下是否能增大jvm堆的最大容量。

2）检查代码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，

优化程序，尝试减少程序运行期的内存消耗，减小对象的生命周期。

通过工具打开 hprof 文件：

![70 1][]

从概述中可以看到异常原因，以及异常导致的线程 main，点击 main 链接进入：

![70 2][]

异常对象详情（实例数据）:

![70 3][]

**2、虚拟机栈和本地方法栈溢出**

调用方法的时候，会在栈中入栈一个栈帧，如果当前栈的容量不足，

就会发生栈溢出 StackOverFlowError 那么只要疯狂的调用方法，并且有意的不让

栈帧出栈就可以导致栈溢出了。

package com.lanhuigu.jvm.oom;
    
    /**
     * VM Args: -Xss200k
     */
    public class JavaVMStackSOF {
        private int stackLength = 1;
    
        public void stackLeak() {
            stackLength++;
            stackLeak();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
            try {
                oom.stackLeak();
            } catch (Throwable e) {
                System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);
                throw e;
            }
        }
    }

**运行结果：**

![70 4][]

**代码分析：**

jvm 设置参数 -Xss200k，目的是缩小栈的空间，这样栈溢出“来的快一点”

程序中用了递归，让栈帧疯狂的入栈，又不让栈帧出栈，这样就会栈溢出了。

**3、运行时常量池溢出**

这里储存的是一些常量、字面量。如果运行时常量池内存不足，就会发生内存溢出。

从 jdk1.7 开始，运行时常量池移动到了堆中，所以如果堆的内存不足，也会导致运行

时常量池内存溢出。

**基于jdk8的代码:**

package com.lanhuigu.jvm.oom;
    
    import java.util.LinkedList;
    
    /**
     * VM Args:
     * jdk6以前：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
     * jdk7开始：-Xms10m -Xmx10m -XX:-UseGCOverheadLimit
     */
    public class RuntimePoolOOM {
        public static void main(String[] args){
            // 使用list保持常量的引用，避免Full GC回收常量池
            LinkedList<String> list=new LinkedList<>();
            // 疯狂添加常量到list
            int i=1;
            while (true) {
                list.add(String.valueOf(i++).intern());
            }
        }
    }

**运行结果:**

![70 5][]

**代码分析:**

**参数：-Xms10m -Xmx10m 固定堆的大小为10MB，-XX:-UseGCOverheadLimit**

**是关闭 GC 占用时间过长时会报的异常。**

因为 jdk6 以前，运行时常量池是在方法区（永生代）中的，所以要限制永生代的容量，

让内存溢出来的更快。从 jdk7 开始，运行时常量池是在堆中的，那么固定堆的容量就好了。

这里用了链表去保存常量的引用，是因为防止被 fullgc 清理，因为 Full gc 会清理掉方法区

和老年代 intern() 方法是将常量添加到常量池中去，这样运行时常量池一直都在增长，

然后内存溢出。

**4、方法区溢出**

方法区用于存放 Class 的相关信息，如类名、访问修改时符、字段描述、方法描述等。

对这些区域的测试，基本的思想是运行时产生大量的类去填满方法区、直到内存溢出。

这里使用 Cglib 创建大量的代理类。

package com.lanhuigu.spring.proxy;
    
    import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
    import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
    import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;
    
    import java.lang.reflect.Method;
    
    /**
     * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
     */
    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() {
                    @Override
                    public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
                        return proxy.invokeSuper(obj, args);
                    }
                });
                enhancer.create();
            }
        }
    
        static class OOMObject {
        }
    }

**关于 java7 之前，java7 和 java8 方法区与堆的说明：**

**java7 之前:**

方法区位于永久代(PermGen)，永久代和堆相互隔离，永久代的大小在启动JVM时可以

设置一个固定值，不可变；

**java7 中:**

存储在永久代的部分数据就已经转移到 Java Heap 或者 Native memory。

但永久代仍存在于 JDK 1.7 中，并没有完全移除，譬如符号引用(Symbols)转移到了

native memory ；

字符串常量池(interned strings)转移到了Java heap；

类的静态变量(class statics)转移到了Java heap。

**java8 中：**

取消永久代，方法存放于元空间(Metaspace)，元空间仍然与堆不相连，但与堆共享

物理内存，逻辑上可认为在堆中 。

**Native memory：**

本地内存，也称为 C-Heap，是供 JVM 自身进程使用的。当 Java Heap 空间不足时会触发 GC，

但 Native memory 空间不够却不会触发 GC。

**5、本机直接内存溢出**

DirectMemory 容量可以通过 XX:MaxDirectMemorySize 指定，如果不指定，

则默认与 Java 堆最大( -Xmx 指定)值一样。

package com.lanhuigu.jvm.oom;
    
    import sun.misc.Unsafe;
    
    import java.lang.reflect.Field;
    
    /**
     * 本机直接内存溢出，该类执行完ide都崩掉了，小心！！！
     * VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
     */
    public class DirectMemoryOOM {
        private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    
        public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException {
            Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
            unsafeField.setAccessible(true);
            Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
            while (true) {
                unsafe.allocateMemory(_1MB);
            }
        }
    }

# 参考文献 #

**《深入理解Java虚拟机》 (第二版) 周志明 著；**

[https_github.com_yihonglei_jdk-source-code-reading]: https://github.com/yihonglei/jdk-source-code-reading
[JVM]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80882595
[JVM 1]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/81295635
[JVM 2]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80946511
[HotSpot]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80893288
[JVM_1_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80950336
[JVM_2_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80953776
[JVM_3_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80956479
[JVM_4_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80968456
[70]: /images/20220521/d4db77654f914326a976ef36e69e5c27.png
[70 1]: /images/20220521/645aecdf881a4ef48731a579556ea323.png
[70 2]: /images/20220521/678bf686235b41579daf3cada2f6269c.png
[70 3]: /images/20220521/178bd36e24ca42e1af7c4c9eddb3cd82.png
[70 4]: /images/20220521/0c6645a2c0314df5bc0cb465fb7c01ec.png
[70 5]: /images/20220521/88223aff637b41c689b787c249aa78e9.png