Java异常的分类有哪些以及OOM解决方案？

Bertha 。 2022-10-15 11:57 237阅读 0赞

Java 中的异常（Exception）又称为例外，是一个在程序执行期间发生的事件，它中断正在执行程序的正常指令流。为了能够及时有效地处理程序中的运行错误，必须使用异常类。

# 一、异常实现及分类 #

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**Throwable又派生出Error类和Exception类**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppa2UxMTIzMQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

**Error错误**：**Error类以及他的子类的实例，代表了JVM本身的错误**。错误不能被程序员通过代码处理，Error很少出现。因此，程序员应该关注Exception为父类的分支下的各种异常类。

**Exception异常**：**Exception以及他的子类，代表程序运行时发送的各种不期望发生的事件**。可以被Java异常处理机制使用，是异常处理的核心。

**非检查异常**（unckecked exception）：Error 和 RuntimeException 以及他们的子类。javac在编译时，不会提示和发现这样的异常，不要求在程序处理这些异常。所以如果愿意，我们可以编写代码处理（使用try…catch…finally）这样的异常，也可以不处理。对于这些异常，我们应该修正代码，而不是去通过异常处理器处理 。这样的异常发生的原因多半是代码写的有问题。如除0错误ArithmeticException，错误的强制类型转换错误ClassCastException，数组索引越界ArrayIndexOutOfBoundsException，使用了空对象NullPointerException等等。

**检查异常**（checked exception）：除了Error 和 RuntimeException的其它异常。javac强制要求程序员为这样的异常做预备处理工作（使用try…catch…finally或者throws）。在方法中要么用try-catch语句捕获它并处理，要么用throws子句声明抛出它，否则编译不会通过。这样的异常一般是由程序的运行环境导致的。因为程序可能被运行在各种未知的环境下，而程序员无法干预用户如何使用他编写的程序，于是程序员就应该为这样的异常时刻准备着。如SQLException , IOException,ClassNotFoundException 等。

# 二、异常的处理 #

代码中的异常处理其实是对可检查异常的处理。  
**1.通过try…catch语句块来处理**  
Catch 语句包含要捕获异常类型的声明。当保护代码块中发生一个异常时，try 后面的 catch 块就会被检查。  
如果发生的异常包含在 catch 块中，异常会被传递到该 catch 块，这和传递一个参数到方法是一样。

**2.另外，也可以在具体位置不处理，直接抛出**  
通过throws/throw到上层再进行处理，具体的，如果一个方法没有捕获到一个检查性异常，那么该方法必须使用 throws 关键字来声明。throws 关键字放在方法签名的尾部。也可以使用 throw 关键字抛出一个异常，无论它是新实例化的还是刚捕获到的。

**3.finally关键字**  
finally 关键字用来创建在 try 代码块后面执行的代码块。  
**无论是否发生异常，finally 代码块中的代码总会被执行**。  
在 finally 代码块中，可以运行清理类型等收尾善后性质的语句。  
finally 代码块出现在 catch 代码块最后。

**4.OutOfMemoryError 可以被 try catch 吗？**  
OutOfMemoryError 是可以 try catch 的。  
RuntimeException 是在程序运行中可能发生的异常，我们可以不捕获它，但可能带来 Crash 的代价，但是过多的捕获异常又不利于暴露和调试异常情况。在开发过程中，我们更多的应该及时暴露问题。除了 RuntimeException 以外，其他异常可以统称为 非运行时异常 或者 受检异常，这些异常必须被捕获，否则编译期就会报错。  
如果你把捕获 OOM 当做处理 OOM 的一种手段，无疑是不合适的。你无法保证你 catch 的代码就是导致 OOM 的原因，可能它只是压死骆驼的最后一根稻草，甚至你也无法保证你的 catch 代码块中不会再次触发 OOM 。

**5.JVM 中哪一块内存不会发生 OOM ？**  
Java内存区域——堆，栈，方法区等  
唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域是 **程序计数器**。程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）。

# 三、常见的OOM异常及解决方案 #

java.lang.StackOverflowError  
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space  
java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded  
java.lang.OutOfMemoryError–>Metaspace  
java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory  
java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread  
java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace  
java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit  
java.lang.OutOfMemoryError: Out of swap space  
java.lang.OutOfMemoryError：Kill process or sacrifice child  
我们常说的 OOM 异常，其实是 Error。

## 1.StackOverflowError ##

### 1.1 写个 bug ###

public class StackOverflowErrorDemo { 
    
        public static void main(String[] args) { 
            javaKeeper();
        }
    
        private static void javaKeeper() { 
            javaKeeper();
        }
    }

在JVM 运行时数据区中，JVM 虚拟机栈是有深度的，在执行方法的时候会伴随着入栈和出栈，上边的方法可以看到，main 方法执行后不停的递归，迟早把栈撑爆了

Exception in thread 'main' java.lang.StackOverflowError
     at oom.StackOverflowErrorDemo.javaKeeper(StackOverflowErrorDemo.java:15)

### 1.2 原因分析 ###

> 无限递归循环调用（最常见原因），要时刻注意代码中是否有了循环调用方法而无法退出的情况 执行了大量方法，导致线程栈空间耗尽

> 方法内声明了海量的局部变量 native 代码有栈上分配的逻辑，并且要求的内存还不小，比如java.net.SocketInputStream.read0 会在栈上要求分配一个 64KB 的缓存（64位 Linux）

### 1.3 解决方案 ###

> 修复引发无限递归调用的异常代码， 通过程序抛出的异常堆栈，找出不断重复的代码行，按图索骥，修复无限递归 Bug。

> 排查是否存在类之间的循环依赖（当两个对象相互引用，在调用toString方法时也会产生这个异常）

> 通过 JVM 启动参数 -Xss 增加线程栈内存空间， 某些正常使用场景需要执行大量方法或包含大量局部变量，这时可以适当地提高线程栈空间限制

## 2.Java heap space ##

Java 堆用于存储对象实例，我们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 GC 清除这些对象，那随着对象数量的增加，总容量触及堆的最大容量限制后就会产生内存溢出异常。

Java 堆内存的 OOM 异常是实际应用中最常见的内存溢出异常。

### 2.1 写个 bug ###

/** * JVM参数：-Xmx12m */
    public class JavaHeapSpaceDemo { 
    
        static final int SIZE = 2 * 1024 * 1024;
    
        public static void main(String[] a) { 
            int[] i = new int[SIZE];
        }
    }

代码试图分配容量为2M 的 int 数组，如果指定启动参数 -Xmx12m，分配内存就不够用，就类似于将 XXXL 号的对象，往 S 号的 Java heap space 里面塞。

Exception in thread 'main' java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
     at oom.JavaHeapSpaceDemo.main(JavaHeapSpaceDemo.java:13)

### 2.2 原因分析 ###

> 请求创建一个超大对象，通常是一个大数组，超出预期的访问量/数据量，通常是上游系统请求流量飙升，常见于各类促销/秒杀活动，可以结合业务流量指标排查是否有尖状峰值。

> 过度使用终结器（Finalizer），该对象没有立即被 GC。 内存泄漏（Memory Leak），大量对象引用没有释放，JVM

> 无法对其自动回收，常见于使用了 File 等资源没有回收。

### 2.3 解决方案 ###

针对大部分情况，通常只需要通过 -Xmx 参数调高 JVM 堆内存空间即可。如果仍然没有解决，可以参考以下情况做进一步处理：

> 如果是超大对象，可以检查其合理性，比如是否一次性查询了数据库全部结果，而没有做结果数限制。

> 如果是业务峰值压力，可以考虑添加机器资源，或者做限流降级。 如果是内存泄漏，需要找到持有的对象，修改代码设计，比如关闭没有释放的连接。

内存泄露和内存溢出  
**内存溢出**(out of memory)，是指程序在申请内存时，没有足够的内存空间供其使用，出现out of memory；比如申请了一个 Integer，但给它存了 Long 才能存下的数，那就是内存溢出。

**内存泄露**( memory leak)，是指程序在申请内存后，无法释放已申请的内存空间，一次内存泄露危害可以忽略，但内存泄露堆积后果很严重，无论多少内存，迟早会被占光。  
memory leak 最终会导致 out of memory！

## 3.GC overhead limit exceeded ##

JVM 内置了垃圾回收机制GC，所以作为 Javaer 的我们不需要手工编写代码来进行内存分配和释放，但是当 Java 进程花费 98% 以上的时间执行 GC，但只恢复了不到 2% 的内存，且该动作连续重复了 5 次，就会抛出 java.lang.OutOfMemoryError:GC overhead limit exceeded 错误（俗称：垃圾回收上头）。简单地说，就是应用程序已经基本耗尽了所有可用内存， GC 也无法回收。

假如不抛出 GC overhead limit exceeded 错误，那 GC 清理的那么一丢丢内存很快就会被再次填满，迫使 GC 再次执行，这样恶性循环，CPU 使用率 100%，而 GC 没什么效果。

### 3.1 写个 bug ###

出现这个错误的实例，其实我们写个无限循环，往 List 或 Map 加数据就会一直 Full GC，直到扛不住，这里用一个不容易发现的栗子。我们往 map 中添加 1000 个元素。

/** * JVM 参数： -Xmx14m -XX:+PrintGCDetails */
    public class KeylessEntry { 
    
        static class Key { 
            Integer id;
    
            Key(Integer id) { 
                this.id = id;
            }
    
            @Override
            public int hashCode() { 
                return id.hashCode();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            Map m = new HashMap();
            while (true){ 
                for (int i = 0; i < 1000; i++){ 
                    if (!m.containsKey(new Key(i))){ 
                        m.put(new Key(i), 'Number:' + i);
                    }
                }
                System.out.println('m.size()=' + m.size());
            }
        }
    }

...
    m.size()=54000
    m.size()=55000
    m.size()=56000
    Exception in thread 'main' java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

从输出结果可以看到，我们的限制 1000 条数据没有起作用，map 容量远超过了 1000，而且最后也出现了我们想要的错误，这是因为类 Key 只重写了 hashCode() 方法，却没有重写 equals() 方法，我们在使用 containsKey() 方法其实就出现了问题，于是就会一直往 HashMap 中添加 Key，直至 GC 都清理不掉。

执行这个程序的最终错误，和 JVM 配置也会有关系，如果设置的堆内存特别小，会直接报 Java heap space。算是被这个错误截胡了，所以有时，在资源受限的情况下，无法准确预测程序会死于哪种具体的原因。

### 3.2 解决方案 ###

> 添加 JVM 参数-XX:-UseGCOverheadLimit 不推荐这么干，没有真正解决问题，只是将异常推迟。

> 检查项目中是否有大量的死循环或有使用大内存的代码，优化代码。

> dump内存分析，检查是否存在内存泄露，如果没有，加大内存。

## 4.Direct buffer memory ##

我们使用 NIO 的时候经常需要使用 ByteBuffer 来读取或写入数据，这是一种基于 Channel(通道) 和 Buffer(缓冲区)的 I/O 方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆里面的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样在一些场景就避免了 Java 堆和 Native 中来回复制数据，所以性能会有所提高。

Java 允许应用程序通过 Direct ByteBuffer 直接访问堆外内存，许多高性能程序通过 Direct ByteBuffer 结合内存映射文件（Memory Mapped File）实现高速 IO。

### 4.1 写个 bug ###

ByteBuffer.allocate(capability) 是分配 JVM 堆内存，属于 GC 管辖范围，需要内存拷贝所以速度相对较慢；

ByteBuffer.allocateDirect(capability) 是分配 OS 本地内存，不属于 GC 管辖范围，由于不需要内存拷贝所以速度相对较快；

如果不断分配本地内存，堆内存很少使用，那么 JVM 就不需要执行 GC，DirectByteBuffer 对象就不会被回收，这时虽然堆内存充足，但本地内存可能已经不够用了，就会出现 OOM，本地直接内存溢出。

/** * VM Options：-Xms10m,-Xmx10m,-XX:+PrintGCDetails -XX:MaxDirectMemorySize=5m */
    public class DirectBufferMemoryDemo { 
    
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println('maxDirectMemory is:'+sun.misc.VM.maxDirectMemory() / 1024 / 1024 + 'MB');
    
            //ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(6*1024*1024);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(6*1024*1024);
    
        }
    }

最大直接内存，默认是电脑内存的 1/4，所以我们设小点，然后使用直接内存超过这个值，就会出现 OOM。

maxDirectMemory is:5MB
    Exception in thread 'main' java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

### 4.2 解决方案 ###

> Java 只能通过 ByteBuffer.allocateDirect 方法使用 Direct ByteBuffer，因此，可以通过

> Arthas 等在线诊断工具拦截该方法进行排查，检查是否直接或间接使用了 NIO，如 netty，jetty 等。

> 通过启动参数 -XX:MaxDirectMemorySize 调整 Direct ByteBuffer 的上限值。 检查 JVM 参数是否有 -XX:+DisableExplicitGC 选项，如果有就去掉，因为该参数会使 System.gc() 失效。

> 检查堆外内存使用代码，确认是否存在内存泄漏；或者通过反射调用sun.misc.Cleaner 的 clean() 方法来主动释放被Direct ByteBuffer 持有的内存空间。

> 内存容量确实不足，升级配置。

## 5.Unable to create new native thread ##

每个 Java 线程都需要占用一定的内存空间，当 JVM 向底层操作系统请求创建一个新的 native 线程时，如果没有足够的资源分配就会报此类错误。

### 5.1 写个 bug ###

public static void main(String[] args) { 
      while(true){ 
        new Thread(() -> { 
          try { 
            Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
          } catch(InterruptedException e) {  }
        }).start();
      }
    }

Error occurred during initialization of VM
    java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

### 5.2 原因分析 ###

JVM 向 OS 请求创建 native 线程失败，就会抛出 Unableto createnewnativethread，常见的原因包括以下几类：

线程数超过操作系统最大线程数限制（和平台有关）  
线程数超过 kernel.pid\_max（只能重启）  
native 内存不足；该问题发生的常见过程主要包括以下几步：  
JVM 内部的应用程序请求创建一个新的 Java 线程；  
JVM native 方法代理了该次请求，并向操作系统请求创建一个 native 线程；  
操作系统尝试创建一个新的 native 线程，并为其分配内存；  
如果操作系统的虚拟内存已耗尽，或是受到 32 位进程的地址空间限制，操作系统就会拒绝本次 native 内存分配；  
JVM 将抛出 java.lang.OutOfMemoryError:Unableto createnewnativethread 错误。

### 5.3 解决方案 ###

> 想办法降低程序中创建线程的数量，分析应用是否真的需要创建这么多线程 如果确实需要创建很多线程，调高 OS 层面的线程最大数：执行  
> ulimia-a 查看最大线程数限制，使用 ulimit-u xxx 调整最大线程数限制

## 6.Metaspace ##

JDK 1.8 之前会出现 Permgen space，该错误表示永久代（Permanent Generation）已用满，通常是因为加载的 class 数目太多或体积太大。随着 1.8 中永久代的取消，就不会出现这种异常了。

Metaspace 是方法区在 HotSpot 中的实现，它与永久代最大的区别在于，元空间并不在虚拟机内存中而是使用本地内存，但是本地内存也有打满的时候，所以也会有异常。

### 6.1 写个 bug ###

/** * JVM Options: -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m */
    public class MetaspaceOOMDemo { 
    
        public static void main(String[] args) { 
    
            while (true) { 
                Enhancer enhancer = new Enhancer();
                enhancer.setSuperclass(MetaspaceOOMDemo.class);
                enhancer.setUseCache(false);
                enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (o, method, objects, methodProxy) -> { 
                    //动态代理创建对象
                    return methodProxy.invokeSuper(o, objects);
                });
                enhancer.create();
            }
        }
    }

借助 Spring 的 GCLib 实现动态创建对象

Exception in thread 'main' org.springframework.cglib.core.CodeGenerationException: java.lang.OutOfMemoryError-->Metaspace

### 6.2 解决方案 ###

> 方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常，在经常运行时生成大量动态类的应用场景中，就应该特别关注这些类的回收情况。这类场景除了上边的 GCLib  
> 字节码增强和动态语言外，常见的还有，大量 JSP 或动态产生 JSP 文件的应用（远古时代的传统软件行业可能会有）、基于 OSGi的应用（即使同一个类文件，被不同的加载器加载也会视为不同的类）等。

> 方法区在 JDK8 中一般不太容易产生，HotSpot 提供了一些参数来设置元空间，可以起到预防作用
> 
> \-XX:MaxMetaspaceSize 设置元空间最大值，默认是 -1，表示不限制（还是要受本地内存大小限制的）  
> \-XX:MetaspaceSize 指定元空间的初始空间大小，以字节为单位，达到该值就会触发 GC 进行类型卸载，同时收集器会对该值进行调整  
> \-XX:MinMetaspaceFreeRatio 在 GC 之后控制最小的元空间剩余容量的百分比，可减少因元空间不足导致的垃圾收集频率，类似的还有 MaxMetaspaceFreeRatio

## 7.Requested array size exceeds VM limit ##

### 7.1 写个 bug ###

public static void main(String[] args) { 
      int[] arr = new int[Integer.MAX_VALUE];
    }

这个比较简单，建个超级大数组就会出现 OOM，不多说了

Exception in thread 'main' java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

JVM 限制了数组的最大长度，该错误表示程序请求创建的数组超过最大长度限制。

JVM 在为数组分配内存前，会检查要分配的数据结构在系统中是否可寻址，通常为 Integer.MAX\_VALUE-2。

此类问题比较罕见，通常需要检查代码，确认业务是否需要创建如此大的数组，是否可以拆分为多个块，分批执行。

## 8.Out of swap space ##

启动 Java 应用程序会分配有限的内存。此限制是通过-Xmx和其他类似的启动参数指定的。

在 JVM 请求的总内存大于可用物理内存的情况下，操作系统开始将内容从内存换出到硬盘驱动器。

该错误表示所有可用的虚拟内存已被耗尽。虚拟内存（Virtual Memory）由物理内存（Physical Memory）和交换空间（Swap Space）两部分组成。

## 9.Kill process or sacrifice child ##

操作系统是建立在流程概念之上的。这些进程由几个内核作业负责，其中一个名为“ Out of memory Killer”，它会在可用内存极低的情况下“杀死”（kill）某些进程。OOM Killer 会对所有进程进行打分，然后将评分较低的进程“杀死”，具体的评分规则可以参考 Surviving the Linux OOM Killer。

不同于其他的 OOM 错误， Killprocessorsacrifice child 错误不是由 JVM 层面触发的，而是由操作系统层面触发的。

### 9.1 原因分析 ###

默认情况下，Linux 内核允许进程申请的内存总量大于系统可用内存，通过这种“错峰复用”的方式可以更有效的利用系统资源。

然而，这种方式也会无可避免地带来一定的“超卖”风险。例如某些进程持续占用系统内存，然后导致其他进程没有可用内存。此时，系统将自动激活 OOM Killer，寻找评分低的进程，并将其“杀死”，释放内存资源。

### 9.2 解决方案 ###

> 升级服务器配置/隔离部署，避免争用。 OOM Killer 调优。

**参考文章**  
https://www.jianshu.com/p/49d2c3975c56  
https://www.cnblogs.com/lulipro/p/7504267.html  
http://c.biancheng.net/view/1038.html  
https://blog.csdn.net/michaelgo/article/details/82790253  
http://www.360doc.com/content/20/0707/21/58006001\_922857147.shtml

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppa2UxMTIzMQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221014/484150310cb14b429fc32a908746d113.png
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