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Java堆溢出
Java堆用于储存对象实例，我们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，那么随着对象数量的增加，总容量触及最大堆的容量限制后就会 产生内存溢出异常。
我们可以限制Java堆的大小为20MB，不可扩展（将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数 设置为一样即可避免堆自动扩展），通过参数-XX：+HeapDumpOnOutOf-MemoryError可以让虚拟机
在出现内存溢出异常的时候Dump出当前的内存堆转储快照以便进行事后分析
/**
* VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
*/
public class HeapOOM {
static class OOMObject {
}
public static void main(String[] args) {
List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
while (true) {
list.add(new OOMObject());
}
}
}java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid3404.hprof ...
Heap dump file created [22045981 bytes in 0.663 secs]Java堆内存的OutOfMemoryError异常是实际应用中最常见的内存溢出异常情况。出现Java堆内存 溢出时，异常堆栈信息“java.lang.OutOfMemoryError”会跟随进一步提示“Java heap space”。
要解决这个内存区域的异常，常规的处理方法是首先通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对Dump出来的堆转储快照进行分析。
第一步首先应确认内存中导致OOM的对象是否是必 要的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）。
如图显示了使用Eclipse Memory Analyzer打开的堆转储快照文件。
如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链，找到泄漏对象是通过怎 样的引用路径、与哪些GC Roots相关联，才导致垃圾收集器无法回收它们，根据泄漏对象的类型信息 以及它到GC Roots引用链的信息，一般可以比较准确地定位到这些对象创建的位置，进而找出产生内 存泄漏的代码的具体位置。
如果不是内存泄漏，换句话说就是内存中的对象确实都是必须存活的，那就应当检查Java虚拟机 的堆参数（-Xmx与-Xms）设置，与机器的内存对比，看看是否还有向上调整的空间。再从代码上检查 是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长、存储结构设计不合理等情况，尽量减少程序运 行期的内存消耗。
虚拟机栈和本地方法栈溢出
由于HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此对于HotSpot来说，-Xoss参数（设置 本地方法栈大小）虽然存在，但实际上是没有任何效果的，栈容量只能由-Xss参数来设定。
《Java虚拟机规范》明确允许Java虚拟机实现自行选择是否支持栈的动态扩展，而HotSpot虚拟机 的选择是不支持扩展，所以除非在创建线程申请内存时就因无法获得足够内存而出现 OutOfMemoryError异常，否则在线程运行时是不会因为扩展而导致内存溢出的，只会因为栈容量无法 容纳新的栈帧而导致StackOverflowError异常。
为了验证这点，我们可以做两个实验，先将实验范围限制在单线程中操作，尝试下面两种行为是 否能让HotSpot虚拟机产生OutOfMemoryError异常：
使用-Xss参数减少栈内存容量。 结果：抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的堆栈深度相应缩小。
定义了大量的本地变量，增大此方法帧中本地变量表的长度。 结果：抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的堆栈深度相应缩小。
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;
}
}
}stack length:2402 Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:20)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:21)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:21)
……后续异常堆栈信息省略对于不同版本的Java虚拟机和不同的操作系统，栈容量最小值可能会有所限制，这主要取决于操 作系统内存分页大小。
譬如上述方法中的参数-Xss128k可以正常用于32位Windows系统下的JDK 6，但 是如果用于64位Windows系统下的JDK 11，则会提示栈容量最小不能低于180K，而在Linux下这个值则 可能是228K，如果低于这个最小限制，HotSpot虚拟器启动时会给出如下提示：
The Java thread stack size specified is too small. Specify at least 228k我们继续验证第二种情况
public class JavaVMStackSOF {
private static int stackLength = 0;
public static void test() {
long unused1, unused2, unused3, unused4, unused5, unused6, unused7, unused8, unused9, unused10, unused11, unused12, unused13, unused14, unused15, unused16, unused17, unused18, unused19, unused20, unused21, unused22, unused23, unused24, unused25, unused26, unused27, unused28, unused29, unused30, unused31, unused32, unused33, unused34, unused35, unused36, unused37, unused38, unused39, unused40, unused41, unused42, unused43, unused44, unused45, unused46, unused47, unused48, unused49, unused50, unused51, unused52, unused53, unused54, unused55, unused56, unused57, unused58, unused59, unused60, unused61, unused62, unused63, unused64, unused65, unused66, unused67, unused68, unused69, unused70, unused71, unused72, unused73, unused74, unused75, unused76, unused77, unused78, unused79, unused80, unused81, unused82, unused83, unused84, unused85, unused86, unused87, unused88, unused89, unused90, unused91, unused92, unused93, unused94, unused95, unused96, unused97, unused98, unused99, unused100;
stackLength++;
test();
unused1 = unused2 = unused3 = unused4 = unused5 = unused6 = unused7 = unused8 = unused9 = unused10 = unused11 = unused12 = unused13 = unused14 = unused15 = unused16 = unused17 = unused18 = unused19 = unused20 = unused21 = unused22 = unused23 = unused24 = unused25 = unused26 = unused27 = unused28 = unused29 = unused30 = unused31 = unused32 = unused33 = unused34 = unused35 = unused36 = unused37 = unused38 = unused39 = unused40 = unused41 = unused42 = unused43 = unused44 = unused45 = unused46 = unused47 = unused48 = unused49 = unused50 = unused51 = unused52 = unused53 = unused54 = unused55 = unused56 = unused57 = unused58 = unused59 = unused60 = unused61 = unused62 = unused63 = unused64 = unused65 = unused66 = unused67 = unused68 = unused69 = unused70 = unused71 = unused72 = unused73 = unused74 = unused75 = unused76 = unused77 = unused78 = unused79 = unused80 = unused81 = unused82 = unused83 = unused84 = unused85 = unused86 = unused87 = unused88 = unused89 = unused90 = unused91 = unused92 = unused93 = unused94 = unused95 = unused96 = unused97 = unused98 = unused99 = unused100 = 0;
}
public static void main(String[] args) {
try {
test();
} catch (Error e) {
System.out.println("stack length:" + stackLength);
throw e;
}
}
}stack length:5675 Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:27)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:28)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:28)
……后续异常堆栈信息省略实验结果表明：无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当新的栈帧内存无法分配的时候， HotSpot虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。
可是如果在允许动态扩展栈容量大小的虚拟机 上，相同代码则会导致不一样的情况。譬如远古时代的Classic虚拟机，这款虚拟机可以支持动态扩展 栈内存的容量，在Windows上的JDK 1.0.2运行上面代码（如果这时候要调整栈容量就应该改 用-oss参数了），得到的结果是：
stack length:3716 java.lang.OutOfMemoryError
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:27)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:28)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:28)
……后续异常堆栈信息省略可见相同的代码在Classic虚拟机中成功产生了OutOfMemoryError而不是StackOver-flowError异 常。
如果测试时不限于单线程，通过不断建立线程的方式，在HotSpot上也是可以产生内存溢出异常 的
但是这样产生的内存溢出异常和栈空间是否足够并不存在任何直接的关 系，主要取决于操作系统本身的内存使用状态。甚至可以说，在这种情况下，给每个线程的栈分配的 内存越大，反而越容易产生内存溢出异常。
原因其实不难理解，操作系统分配给每个进程的内存是有限制的，譬如32位Windows的单个进程 最大内存限制为2GB。
HotSpot虚拟机提供了参数可以控制Java堆和方法区这两部分的内存的最大值， 那剩余的内存即为2GB（操作系统限制）减去最大堆容量，再减去最大方法区容量，由于程序计数器 消耗内存很小，可以忽略掉，如果把直接内存和虚拟机进程本身耗费的内存也去掉的话，剩下的内存 就由虚拟机栈和本地方法栈来分配了。因此为每个线程分配到的栈内存越大，可以建立的线程数量自 然就越少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。
z
/**
* VM Args：-Xss2M （这时候不妨设大些，请在32位系统下运行）
*/
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) throws Throwable {
JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
oom.stackLeakByThread();
}
}无限制地创建线程会对操 作系统带来很大压力，上述代码执行时有很高的风险，可能会由于创建线程数量过多而导致操作系统 假死。
在32位操作系统下的运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create native thread如果使用HotSpot虚拟机默认参数，栈深度在大多数情况下（因为每个方法压入栈的帧大小并不是 一样的，所以只能说大多数情况下）到达1000~2000是完全没有问题，对于正常的方法调用（包括不能 做尾递归优化的递归调用），这个深度应该完全够用了。
但是，如果是建立过多线程导致的内存溢 出，在不能减少线程数量或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取 更多的线程。
从 JDK 7起，以上提示信息中“unable to create native thread”后面，虚拟机会特别注明原因可能是“possibly out of memory or process/resource limits reached”。
方法区和运行时常量池溢出
String::intern()是一个本地方法，它的作用是如果字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的 字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象的引用；否则，会将此String对象包含的字符串添加 到常量池中，并且返回此String对象的引用。
在JDK 6或更早之前的HotSpot虚拟机中，常量池都是分配 在永久代中，我们可以通过-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize限制永久代的大小，即可间接限制其 中常量池的容量
/**
* VM Args：-XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
*/
public class RuntimeConstantPoolOOM {
public static void main(String[] args) {
// 使用Set保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
// 在short范围内足以让6MB的PermSize产生OOM了
Set<String> set = new HashSet<String>();
short i = 0;
while (true) {
set.add(String.valueOf(i++).intern())
}
}
}Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.String.intern(Native Method) at org.fenixsoft.oom.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java: 18)从运行结果中可以看到，运行时常量池溢出时，在OutOfMemoryError异常后面跟随的提示信息 是“PermGen space”，说明运行时常量池的确是属于方法区（即JDK 6的HotSpot虚拟机中的永久代）的 一部分。
而使用JDK 7或更高版本的JDK来运行这段程序并不会得到相同的结果，无论是在JDK 7中继续使 用-XX：MaxPermSize参数或者在JDK 8及以上版本使用-XX：MaxMeta-spaceSize参数把方法区容量同样限制在6MB，也都不会重现JDK 6中的溢出异常，循环将一直进行下去，永不停歇 。
出现这种变 化，是因为自JDK 7起，原本存放在永久代的字符串常量池被移至Java堆之中，所以在JDK 7及以上版 本，限制方法区的容量对该测试用例来说是毫无意义的。这时候使用-Xmx参数限制最大堆到6MB就能 够看到以下两种运行结果之一，具体取决于哪里的对象分配时产生了溢出：
// OOM异常一： Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.base/java.lang.Integer.toString(Integer.java:440) at
java.base/java.lang.String.valueOf(String.java:3058) at
RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:12)
// OOM异常二： Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.base/java.util.HashMap.resize(HashMap.java:699) at
java.base/java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:658) at
java.base/java.util.HashMap.put(HashMap.java:607) at
java.base/java.util.HashSet.add(HashSet.java:220) at
RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java from InputFile-Object:14)String.intern()返回引用的测试
public class RuntimeConstantPoolOOM {
public static void main(String[] args) {
String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
System.out.println(str1.intern() == str1);
String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
System.out.println(str2.intern() == str2);
}
}这段代码在JDK 6中运行，会得到两个false，而在JDK 7中运行，会得到一个true和一个false。
产 生差异的原因是，在JDK 6中，intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代的字符串常量池 中存储，返回的也是永久代里面这个字符串实例的引用，而由StringBuilder创建的字符串对象实例在 Java堆上，所以必然不可能是同一个引用，结果将返回false。
而JDK 7（以及部分其他虚拟机，例如JRockit）的intern()方法实现就不需要再拷贝字符串的实例 到永久代了，既然字符串常量池已经移到Java堆中，那只需要在常量池里记录一下首次出现的实例引 用即可，因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串实例就是同一个。
而对str2比较返回false，这是因为“java” [2] 这个字符串在执行StringBuilder.toString()之前就已经出现过了，字符串常量 池中已经有它的引用，不符合intern()方法要求“首次遇到”的原则，“计算机软件”这个字符串则是首次 出现的，因此结果返回true。
我们再来看看方法区的其他部分的内容，方法区的主要职责是用于存放类型的相关信息，如类 名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这部分区域的测试，基本的思路是运行时产 生大量的类去填满方法区，直到溢出为止。虽然直接使用Java SE API也可以动态产生类（如反射时的 GeneratedConstructorAccessor和动态代理等），但在本次实验中操作起来比较麻烦。
所以在代码清借助了CGLib直接操作字节码运行时生成了大量的动态类。
值得特别注意的是，我们在这个例子中模拟的场景并非纯粹是一个实验，类似这样的代码确实可 能会出现在实际应用中：当前的很多主流框架，如Spring、Hibernate对类进行增强时，都会使用到 CGLib这类字节码技术，当增强的类越多，就需要越大的方法区以保证动态生成的新类型可以载入内 存。另外，很多运行于Java虚拟机上的动态语言（例如Groovy等）通常都会持续创建新类型来支撑语 言的动态性，随着这类动态语言的流行
借助CGLib使得方法区出现内存溢出异常
/**
* 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() {
public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy)
throws Thro return proxy.invokeSuper(obj,args);
}
});
enhancer.create();
}
}
static class OOMObject {
}
}Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method) at
java.lang.ClassLoader.defineClassCond(ClassLoader.java:632) at
java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:616) ... 8 more在经常运行时生成大量动态类的应用场景里，就应该特别关注这些类的回收状况。
这类场 景除了之前提到的程序使用了CGLib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（JSP第一次运行时需要编译为Java类）、基于OSGi的应用（即使是同一个类文件，被不同 的加载器加载也会视为不同的类）等。
在JDK 8以后，永久代便完全退出了历史舞台，元空间作为其替代者登场。在默认设置下，前面 列举的那些正常的动态创建新类型的测试用例已经很难再迫使虚拟机产生方法区的溢出异常了。不过 为了让使用者有预防实际应用里出现类似于上面那样的破坏性的操作，HotSpot还是提供了一 些参数作为元空间的防御措施，主要包括：
-XX：MaxMetaspaceSize：设置元空间最大值，默认是-1，即不限制，或者说只受限于本地内存 大小。
-XX：MetaspaceSize：指定元空间的初始空间大小，以字节为单位，达到该值就会触发垃圾收集 进行类型卸载，同时收集器会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放 了很少的空间，那么在不超过-XX：MaxMetaspaceSize（如果设置了的话）的情况下，适当提高该 值。
-XX：MinMetaspaceFreeRatio：作用是在垃圾收集之后控制最小的元空间剩余容量的百分比，可 减少因为元空间不足导致的垃圾收集的频率。类似的还有-XX：Max-MetaspaceFreeRatio，用于控制最 大的元空间剩余容量的百分比。
本机直接内存溢出
直接内存（Direct Memory）的容量大小可通过-XX：MaxDirectMemorySize参数来指定，如果不 去指定，则默认与Java堆最大值（由-Xmx指定）一致，
下面的代码越过了DirectByteBuffer类直接通 过反射获取Unsafe实例进行内存分配（Unsafe类的getUnsafe()方法指定只有引导类加载器才会返回实 例，体现了设计者希望只有虚拟机标准类库里面的类才能使用Unsafe的功能），因为虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢 出异常，但它抛出异常时并没有真正向操作系统申请分配内存，而是通过计算得知内存无法分配就会 在代码里手动抛出溢出异常，真正申请分配内存的方法是Unsafe::allocateMemory()。
/**
* VM Args：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
*/
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);
}
}
}Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError at
sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method) at
org.fenixsoft.oom.DMOOM.main(DMOOM.java:20)由直接内存导致的内存溢出，一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见有什么明显的异常 情况，如果发现内存溢出之后产生的Dump文件很小，而程序中又直接或间接使用了 DirectMemory（典型的间接使用就是NIO），那就可以考虑重点检查一下直接内存方面的原因了
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