深入理解Java虚拟机之第2章-2.4实战：OutOfMemoryError异常

1、Java堆溢出

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。下面的代码限制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:+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。
当出现Java堆内存溢出时，异常堆栈信息“java.lang.OutOfMemoryError”会跟着进一步提示“Java heap space”。要解决这个区域的异常，一般是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，确认到底是出现了内存泄漏还是内存溢出。
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。于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。找到了泄漏对象的类型信息及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。
如果不存在泄漏，就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xms与-Xmx），与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。

package com.oom.heap;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * @author Administrator
 *
 */
public class HeapOOM {
	static class OOMObject {
		
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
		while (true) {
			list.add(new OOMObject());
		}
	}
}

运行结果：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid11560.hprof ...
Heap dump file created [28033901 bytes in 0.145 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
   at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
   at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
   at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:265)
   at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:239)
   at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:231)
   at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:462)
   at com.oom.heap.HeapOOM.main(HeapOOM.java:19)

2、虚拟机栈和本地方法栈溢出。栈容量由-Xss参数设定。关于虚拟机栈和本地方法栈有两种异常：

如果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异常。
如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

package com.test;

/**
 * -Xss128k
 * @author Administrator
 *
 */
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;
		}
	}
}

运行结果：

Stack length:9739
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
   at com.oom.stack.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:7)
   at com.oom.stack.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:7)
   at com.oom.stack.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:7)
   at com.oom.stack.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:7)

3、方法区和运行时常量池溢出

String.intern()是一个Native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，则返回常量池中这个字符串的String对象；否则，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JDK1.6及之前的版本中，由于常量池分配在永久代内，我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量。
从运行结果中可以看到，在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是“PermGen space”。而使用JDK1.7运行这段程序就不会得到相同的结果，while循环将一直进行下去。

package com.oom.constant.pool;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author Administrator
 *
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
	public static void main(String[] args) {
		List<String> list = new ArrayList<String>();
		int i = 0;
		while (true) {
			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)
at com.oom.constant.pool.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:16)

下面这段代码在JDK1.6中运行，会得到两个false，而在JDK1.7中运行，会得到一个true和一个false。产生差异的原因是：在JDK1.6中，intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制在永久代中，返回的也是永久代中这个字符串实例的引用，而由StringBuilder创建的字符串实例在Java堆上，所以必然不是同一个引用，将返回false。JDK1.7的intern()实现不会再复制实例，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串实例是同一个。对str2比较返回false是因为“java”这个字符串在执行StringBuilder.toString()之前已经出现过，字符串常量池中已经有它的引用了，因此返回true。

package com.oom.constant.pool;


/**
 * -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author Administrator
 *
 */
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);
	}
}

方法区用于存放Class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。对于这些区域的测试，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。在下面的这段代码中，借助CGLib直接操作字节码运行时生成了大量的动态类。

package com.oom.stack;

import java.lang.reflect.Method;

import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

/**
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author Administrator
 *
 */
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 {
		
	}
}

运行结果：

Exception in thread "main" net.sf.cglib.core.CodeGenerationException: java.lang.reflect.InvocationTargetException-->null
   at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:345)
   at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492)
   at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:114)
   at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:291)
   at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480)
   at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:305)
   at com.oom.stack.JavaMethodAreaOOM.main(JavaMethodAreaOOM.java:27)
Caused by: java.lang.reflect.InvocationTargetException
   at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1.invoke(Unknown Source)
   at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(Unknown Source)
   at java.lang.reflect.Method.invoke(Unknown Source)
   at net.sf.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:459)
   at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:336)
   ... 6 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
   at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
   at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(Unknown Source)
   at java.lang.ClassLoader.defineClass(Unknown Source)
   ... 11 more

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4、本机直接内存溢出

DirectMemory容量可通过-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆最大值（-Xmx指定）一样。由DirectMemory导致的内存溢出，一个明显的特征是在Heap Dump文件不会看见明显的异常，如果发现OOM之后Dump文件很小，而程序中又直接或间接使用了NIO，那就可以考虑检查一下是不是这方面的的原因。

package com.oom.direct;

import java.lang.reflect.Field;

import sun.misc.Unsafe;

/**
 * VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 * @author Administrator
 *
 */
public class DirectMemoryOOM {
	private static final int _1M = 1024 * 1024;
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
		unsafeField.setAccessible(true);
		Unsafe unfase = (Unsafe) unsafeField.get(null);
		while (true) {
			unfase.allocateMemory(_1M);
		}
	}
}

运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
at com.oom.direct.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:19)

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