写代码实现堆溢出、栈溢出、永久代溢出、直接内存溢出

落日映苍穹つ 2024-02-19 18:04 61阅读 0赞

之前看过周志明老师《深入理解Java虚拟机》一书，对JVM内存结构有了一定了解，本篇是我转载的一篇文章用来模拟堆溢出、栈溢出、永久代溢出、直接内存溢出四种场景，让我们在遇到内存溢出时有一个解决思路。

原文链接：https://blog.csdn.net/u011983531/article/details/63250882

栈溢出(StackOverflowError)  
堆溢出(OutOfMemoryError:Java heap space)  
永久代溢出(OutOfMemoryError: PermGen space)  
直接内存溢出  
一、堆溢出  
创建对象时如果没有可以分配的堆内存，JVM就会抛出OutOfMemoryError:java heap space异常。

堆溢出实例：

/**
     * VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     */
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();
        int i=0;
        while(true){
            list.add(new byte[5*1024*1024]);
            System.out.println("分配次数："+(++i));
        }
    }
    
    运行结果：
    分配次数：1
    分配次数：2
    分配次数：3
    
    java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    Dumping heap to java_pid2464.hprof ...
    Heap dump file created [16991068 bytes in 0.047 secs]
    
    Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
        at com.ghs.test.OOMTest.main(OOMTest.java:16)

附：dump文件会在项目的根目录下生成

从上面的例子我们可以看出，在进行第4次内存分配时，发生了内存溢出。

二、栈溢出  
栈空间不足时，需要分下面两种情况处理：

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  
虚拟机在扩展栈深度时无法申请到足够的内存空间，将抛出OutOfMemberError  
附：当前大部分的虚拟机栈都是可动态扩展的。

1、栈空间不足——StackOverflowError实例

public class StackSOFTest {
    
        int depth = 0;
    
        public void sofMethod(){
            depth ++ ;
            sofMethod();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            StackSOFTest test = null;
            try {
                test = new StackSOFTest();
                test.sofMethod();
            } finally {
                System.out.println("递归次数："+test.depth);
            }
        }
    }
    
    执行结果:
    递归次数：982
    Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
        at com.ghs.test.StackSOFTest.sofMethod(StackSOFTest.java:8)
        at com.ghs.test.StackSOFTest.sofMethod(StackSOFTest.java:9)
        at com.ghs.test.StackSOFTest.sofMethod(StackSOFTest.java:9)
    ……后续堆栈信息省略

我们可以看到，sofMethod()方法递归调用了982次后，出现了StackOverflowError。

2、栈空间不足——OutOfMemberError实例  
单线程情况下，不论是栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，都会抛出StackOverflowError，导致单线程情境下模拟栈内存溢出不是很容易，不过通过不断的建立线程倒是可以产生内存溢出异常。

public class StackOOMTest {
    
        public static void main(String[] args) {
            StackOOMTest test = new StackOOMTest();
            test.oomMethod();
        }
    
        public void oomMethod(){
            while(true){
                new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        loopMethod();
                    }
                }).start();;
            }
        }
    
        private void loopMethod(){
            while(true){
    
            }
        }
    }
    
    运行结果：
    ……操作系统直接挂掉了

如果哪位大神能够成功模拟，还望指点一二。

三、永久代溢出  
永久代溢出可以分为两种情况，第一种是常量池溢出，第二种是方法区溢出。

1、永久代溢出——常量池溢出  
要模拟常量池溢出，可以使用String对象的intern()方法。如果常量池包含一个此String对象的字符串，就返回代表这个字符串的String对象，否则将String对象包含的字符串添加到常量池中。

public class ConstantPoolOOMTest {
    
        /**
         * VM Args:-XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m
         * @param args
         */
        public static void main(String[] args) {
            List<String> list = new ArrayList<>();
            int i=1;
            try {
                while(true){
                    list.add(UUID.randomUUID().toString().intern());
                    i++;
                }
            } finally {
                System.out.println("运行次数："+i);
            }
        }
    }
    
    运行结果:
    ……比较尴尬的是，通过intern，始终无法模拟出常量池溢出，我的猜想是JDK7对常量池做了优化。
    如果哪位大神成功模拟出来了，还望指点一二。

找了好久，终于弄清楚了使用string.intern()方法无法模拟常量池溢出的原因。

因为在JDK1.7中，当常量池中没有该字符串时，JDK7的intern()方法的实现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Java Heap中首次出现的该字符串的引用，并返回该引用。  
简单来说，就是对象实际存储在堆上面，所以，让上面的代码一直执行下去，最终会产生堆内存溢出。  
下面我将堆内存设置为：-Xms5m -Xmx5m，执行上面的代码，运行结果如下：

运行次数：58162
    Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
        at java.lang.Long.toUnsignedString(Unknown Source)
        at java.lang.Long.toHexString(Unknown Source)
        at java.util.UUID.digits(Unknown Source)
    
        at java.util.UUID.toString(Unknown Source)
        at com.ghs.test.ConstantPoolOOMTest.main(ConstantPoolOOMTest.java:18)

2、永久代溢出——方法区溢出  
方法区存放Class的相关信息，下面借助CGLib直接操作字节码，生成大量的动态类。

public class MethodAreaOOMTest {
    
        public static void main(String[] args) {
            int i=0;
            try {
                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();
                    i++;
                }
            } finally{
                System.out.println("运行次数："+i);
            }
        }
    
        static class OOMObject{
    
        }
    }
    
    运行结果:
    
    运行次数：56
    Exception in thread "main" 
    Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"

虽然出现了异常，但是打印的堆栈信息似乎并不是我们想要的……

四、直接内存溢出  
DirectMemory可以通过-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，默认与Java堆的最大值(-Xmx指定)一样。  
NIO会使用到直接内存，你可以通过NIO来模拟，在下面的例子中，跳过NIO，直接使用UnSafe来分配直接内存。

public class DirectMemoryOOMTest {
    
        /**
         * VM Args:-Xms20m -Xmx20m -XX：MaxDirectMemorySize=10m
         * @param args
         */
        public static void main(String[] args) {
            int i=0;
            try {
                Field field = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
                field.setAccessible(true);
                Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
                while(true){
                    unsafe.allocateMemory(1024*1024);
                    i++;
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                System.out.println("分配次数："+i);
            }
        }
    }
    
    运行结果：
    Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
        at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
        at com.ghs.test.DirectMemoryOOMTest.main(DirectMemoryOOMTest.java:20)
    分配次数：27953

总结：  
栈内存溢出：程序所要求的栈深度过大。  
堆内存溢出： 分清内存泄露还是 内存容量不足。泄露则看对象如何被 GC Root 引用，不足则通过调大-Xms，-Xmx参数。  
永久代溢出：Class对象未被释放，Class对象占用信息过多，有过多的Class对象。  
直接内存溢出：系统哪些地方会使用直接内存。

最后，送大家一句话：觉知此事要躬行。  
很多时候，我们看别人提供的示例，都觉得蛮合理，但是实际运行起来，有可能并非如此。