原文地址：​​深入理解JVM（四）-JVM各区溢出实例​​

1.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。

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的时候Dump出当前的内存堆转储快照以便进行事后分析。

package com.mmazai.learning.jvm;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
 * Description:堆内存溢出示例
 * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=D:\tmp\dump
 * @author mazai

 */
public class HeapOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();
        int counter = 1;
        while (true) {
            System.out.println("执行次数："+(counter++));
            list.add(new byte[1024*1024]);//1M大小byte数组
        }
    }
}

运行结果

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
  at com.mmazai.learning.jvm.HeapOOM.main(HeapOOM.java:18)

2.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。关于虚拟机栈和本地方法栈，在《Java虚拟机规范》中描述了两种异常：

1）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。

2）如果虚拟机的栈内存允许动态扩展，当扩展栈容量无法申请到足够的内存时，将抛出OutOfMemoryError异常。

《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。

首先，对第一种情况进行测试

package com.mmazai.learning.jvm;
/**
 * Description:栈溢出示例（1）--Xss参数减少栈内存容量
 * VM Args：-Xss128k
 * @author mazai
 */
public class StackOverflow1 {
    private int length = 1;//栈深度
    public void test() {
        length++;
        test();
    }
    public static void main(String[] args) {
        StackOverflow1 stackOverflow = new StackOverflow1();
        try {
            stackOverflow.test();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("stack length:" + stackOverflow.length);
            throw e;
        }
    }
}

运行结果

stack length:19283
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
  at com.mmazai.learning.jvm.StackOverflow1.test(StackOverflow1.java:14)

我们继续验证第二种情况，这次代码就显得有些“丑陋”了，为了多占局部变量表空间，笔者不得不定义一长串变量。

package com.mmazai.learning.jvm;
/**
 * Description:栈溢出示例（2）-定义大量的本地变量，增大栈帧中局部变量表的长度。
 * VM Args：-Xss128k
 * @author mazai
 */
public class StackOverflow2 {
    private static int length = 0;
    public static void test() {
        long var1, var2, var3, var4, var5, var6, var7, var8, var9, var10, var11, var12, var13, var14, var15, var16, var17, var18, var19, var20, var21, var22, var23, var24, var25, var26, var27, var28, var29, var30, var31, var32, var33, var34, var35, var36, var37, var38, var39, var40, var41, var42, var43, var44, var45, var46, var47, var48, var49, var50, var51, var52, var53, var54, var55, var56, var57, var58, var59, var60, var61, var62, var63, var64, var65, var66, var67, var68, var69, var70, var71, var72, var73, var74, var75, var76, var77, var78, var79, var80, var81, var82, var83, var84, var85, var86, var87, var88, var89, var90, var91, var92, var93, var94, var95, var96, var97, var98, var99, var100;
        length++;
        test();
        var1 = var2 = var3 = var4 = var5 = var6 = var7 = var8 = var9 = var10 = var11 = var12 = var13 = var14 = var15 = var16 = var17 = var18 = var19 = var20 = var21 = var22 = var23 = var24 = var25 =
                var26 = var27 = var28 = var29 = var30 = var31 = var32 = var33 = var34 = var35 = var36 = var37 = var38 = var39 = var40 = var41 = var42 = var43 = var44 = var45 = var46 = var47 = var48 = var49 = var50 = var51 = var52 = var53 = var54 = var55 = var56 = var57 = var58 = var59 = var60 = var61 = var62 = var63 = var64 = var65 = var66 = var67 = var68 = var69 = var70 = var71 = var72 = var73 = var74 = var75 = var76 = var77 = var78 = var79 = var80 = var81 = var82 = var83 = var84 = var85 = var86 = var87 = var88 = var89 = var90 = var91 = var92 = var93 = var94 = var95 = var96 = var97 = var98 = var99 = var100 = 0;
    }
    public static void main(String[] args) {
        StackOverflow2 stackOverflow = new StackOverflow2();
        try {
            stackOverflow.test();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("stack length:" + stackOverflow.length);
            throw e;
        }
    }
}

运行结果

tack length:7131
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
  at com.mmazai.learning.jvm.StackOverflow2.test(StackOverflow2.java:15)

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。

3.栈内存溢出

package com.mmazai.learning.jvm;
/**
 * Description:栈OOM示例
 * @author mazai
 */
public class StackOOM {
    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 {
        StackOOM stackOOM = new StackOOM();
        stackOOM.stackLeakByThread();
    }
}

警告：如果读者要尝试运行上面这段代码，记得要先保存当前的工作，由于在Windows平台的虚拟机中，Java的线程是映射到操作系统的内核线程上，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。​

出现StackOverflowError异常时，会有明确错误堆栈可供分析，相对而言比较容易定位到问题所在。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。这种通过“减少内存”的手段来解决内存溢出的方式，如果没有这方面处理经验，一般比较难以想到，这一点读者需要在开发32位系统的多线程应用时注意。也是由于这种问题较为隐蔽，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“possiblyout of memory or process/resource limits reached”。

4.方法区和运行时常量池溢出

由于运行时常量池是方法区的一部分，所以这两个区域的溢出测试可以放到一起进行。前面曾经提到HotSpot从JDK 7开始逐步“去永久代”的计划，并在JDK 8中完全使用元空间来代替永久代的背景故事，在此我们就以测试代码来观察一下，使用“永久代”还是“元空间”来实现方法区，对程序有什么实际的影响。

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。

package com.mmazai.learning.jvm;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
/**
 * Description: 运行时常量池导致的内存溢出
 * JDK6 VM Args：-XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
 * JDK7 above VM Args：-Xmx6M
 * @author mazai
 */
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
        Set<String> set = new HashSet<String>();
        // 在short范围内足以让6MB的PermSize产生OOM了
        short i = 0;
        while (true) {
            set.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

上面代码在jdk1.7（不包含1.7）以前的运行结果是

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.String.intern(Native Method)

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)

关于这个字符串常量池的实现在哪里，还可以引申出一些更有意思的影响


package com.mmazai.learning.jvm;
/**
 * Description:字符串常量在哪里实现测试
 * @author mazai
 */
public class RuntimeConstantPoolTest {
    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String-Builder.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。下面代码笔者借助了CGLib[3]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。

package com.mmazai.learning.jvm;
import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;
import java.lang.reflect.Method;
/**
 * Description:方法区（元空间）OOM示例
 * JDK7 VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * JDK8 VM Args：-XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M
 * @author mazai
 */
public class MetaSpaceOOM {
    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 Throwable {
                    return proxy.invokeSuper(obj, args);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }
    static class OOMObject {
    }
}

JDK1.8运行结果

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
  at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:348)
  at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492)
  at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:117)
  at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:294)
  at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480)
  at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:305)
  at com.mmazai.learning.jvm.MetaSpaceOOM.main(MetaSpaceOOM.java:27)

方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常，一个类如果要被垃圾收集器回收，要达成的条件是比较苛刻的。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代码清单2-9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。

5.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，下面示例代码越过了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，在JDK 10时才将Unsafe的部分功能通过VarHandle开放给外部使用），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()


package com.mmazai.learning.jvm;
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
/**
 * Description:本机直接内存溢出
 * VM Args：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 * @author mazai
 */
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);
        }
    }
}

运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
  at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
  at com.mmazai.learning.jvm.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.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，如果读者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。