1. JVM 内存异常

JVM 自动内存管理机制包括内存动态分配和垃圾自动收集两部分，可能出现的异常包括内存泄漏和内存溢出两种。

  • 内存泄漏：已申请的内存空间无法被主动释放或垃圾回收，导致可用内存越来越少，最终造成内存溢出。
  • 内存溢出：空闲内存不足，无法满足程序的内存分配请求，产生原因包括内存供不应求、内存泄漏等。

Java 内存区域可用内存空间大小受物理硬件、操作系统和 JVM 虚拟机配置三个层次的制约：

  1. 物理硬件：计算机能够提供的最大内存空间是物理内存与交换分区空间总和。
  2. 操作系统：操作系统能够寻址的最大内存空间受 CPU/OS 操作位数的限制，例如，32位操作系统的寻址空间为2GB。
  3. JVM 虚拟机配置：JVM 提供多种参数用于配置 Java 各内存区域大小。

-Xms 配置 Java 堆初始分配内存大小，-Xmx 配置 Java 堆最大分配内存大小，二者相等表示禁止 Java 堆空间自动扩展。

-Xss 配置单个线程分配虚拟机栈空间大小，-Xoss 配置单个线程分配本地方法栈大小。Sun HotSpot 虚拟机中，虚拟机栈和本地方法栈进行统一管理，-Xoss 参数失效。

-XX:PermSize=10M 配置永生代初始分配内存大小，-XX:MaxPermSize=10M 配置永生代最大分配内存大小。JDK 1.8 中，彻底移除了永生代，该组参数在 JDK 1.8 及以后版本中失效。

-XX:MetaspaceSize 配置元数据空间初始分配内存大小， -XX:MaxMetaspaceSize 配置元数据空间最大分配内存大小，该组参数在 JDK 1.8 及以后版本中有效。

-XX:MaxDirectMemorySize=10M 配置直接内存大小，如不指定，默认与 -Xmx 相同。

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 配置堆溢出时保存快照，便于事后分析。

2. JVM 内存区域划分

内存区域

属性

数据结构

存储内容

抛出异常类型

垃圾收集

程序计数器

线程私有

无

正在执行的字节码行号

无（唯一无异常抛出）

无

Java 虚拟机栈

线程私有

栈

Java 方法栈帧

StackOverflowError / OutOfMemoryError

无

本地方法栈

线程私有

栈

Native 方法栈帧

StackOverflowError / OutOfMemoryError

无

Java 堆

线程共享

堆

对象实例 / 数组

OutOfMemoryError

有

方法区

线程共享

堆

类信息 / 常量 / 静态变量/ 即时编译代码

OutOfMemoryError

有

  • Java 多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的。程序计数器是实现分支、循环、跳转、异常处理、线程切换与恢复的重要结构。
  • Sun HotSpot 虚拟机中将 Java 虚拟机栈与本地方法栈合二为一，统一管理。
  • String.intern() 方法可以实现运行时将新常量加入运行时常量池。

栈帧是 JVM 方法执行的内存模型，包含局部变量表、操作数栈、动态链接、出口等部分，栈帧从入栈到出栈对应方法从调用到执行完成全过程。

线程私有内存区域随线程创建和撤销而被分配和收集，线程间互不影响，独立存储。

线程共享内存区域在虚拟机启动时创建，关闭时撤销，各线程共享内存空间，为多线程共享数据提供可能，同时存在线程同步问题。

直接内存不属于 JVM 内存区域，在 NIO 等场合应用，受到硬件及操作系统内存限制，仍然可能出现 OutOfMemoryError 异常。

3. 内存异常验证

参考自《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践 第2版》书中部分代码，根据 JDK 1.8 进行修正，全部代码经过执行验证，源代码地址 https://github.com/moonspiritacm/OOMTest。

3.1 Java 堆溢出

3.1.1 产生原因

  1. 内存溢出：JVM 分配的 Java 堆空间不足，程序创建的对象实例过多。
  2. 内存泄漏：GC 根与无用对象之间存在可达路径导致无法被垃圾收集机制回收。

3.1.2 解决方案

  1. 通过内存映像分析工具对堆转储快照进行分析，找出异常产生原因。
  2. 对于内存泄漏，通过工具查看泄漏对象到 GC 根的可达路径，定位泄漏代码位置。
  3. 对于内存溢出问题，一方面尽量调大堆空间，一方面修改代码尝试减少程序中对象的生命周期。

3.1.3 验证代码

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

/**
 * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * 
 * @author moonspirit
 * @version 1.0
 */
public class HeapOOM {

    static class OOMObject {
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();

        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

3.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出（单线程）

单线程下，虚拟机栈异常抛出 StackOverflowError。

3.2.1 产生原因

  1. JVM 分配栈空间不足。
  2. 调用方法过多，深度递归，导致栈帧过多，引发栈溢出。
  3. 方法中本地变量等内容过多，导致单个栈帧过大，引发栈溢出。

3.2.2 验证代码

/**
 * VM Args：-Xss128k
 * 
 * @author moonspirit
 * @version 1.0
 */
public class StackSOF {

    private int stackLength = 1;

    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        StackSOF oom = new StackSOF();
        try {
            oom.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

3.3 虚拟机栈和本地方法栈溢出（多线程）

多线程下，虚拟机栈异常抛出 OutOfMemoryError。

3.3.1 产生原因

-Xss 配置单个线程分配栈空间大小，多线程中，该参数设置过大易出现栈内存溢出异常。

可用内存空间 = 最大堆容量（Xmx） + 栈总量（n*Xss） + 最大方法区容量（MaxPermSize） + 其他（程序计数器等）

为单个进程分配的栈容量越大，能够创建的线程数量就越少，越容易出现内存溢出。

3.3.2 验证代码

/**
 * VM Args：-Xss2M
 * 
 * @author moonspirit
 * @version 1.0
 */
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 oom = new StackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}

3.4 方法区溢出

3.4.1 产生原因

1. 运行时常量池溢出

JDK 1.7 以前，JVM 采用永久代实现方法区，应用 GC 分代垃圾收集机制。不断将新常量添加到方法区，会导致方法区溢出。

JDK 1.7 中，运行时常量池已从永久代移除，不断添加新常量的方法不再导致方法区溢出。其中，符号引用转移到 native heap，字面量转移到 java heap，类的静态变量转移到 java heap。运行时常量池存储的不再是对象，而是对象引用，真正的对象存储在堆中，通过 -Xms 和 -Xmx 限制堆空间可以产生异常，注意此时发生溢出的是 Java 堆而不是方法区。

JDK 1.8 中，永生代被彻底移除，取而代之的是元空间（MetaspaceSize）。

2. 类信息溢出

类增强技术（CGLib、Spring）、JVM 上的动态语言（Groovy）、JSP 文件（JSP 首次运行时被编译成类）、基于OSGi的应用（同一个类文件被不同加载器加载视为不同的类）等会动态生成大量类，导致方法区溢出。

3.4.2 验证代码

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

/**
 * VM Args：-Xms10m -Xmx10m
 * 
 * @since JDK1.6
 * @author moonspirit
 * @version 1.0
 */
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());
        }
    }
}
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:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M
 * 
 * @author moonspirit
 * @version 1.0
 */
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 {
    }
}

3.5 直接内存溢出

3.5.1 产生原因

  1. 程序中直接或间接使用 NIO。
  2. 直接内存溢出不会再 Heap Dump 文件中观察到，溢出后 Dump 文件很小。

3.5.2 验证代码

import java.lang.reflect.Field;

import sun.misc.Unsafe;

/**
 * VM Args：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 * 
 * @author moonspirit
 * @version 1.0
 */
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);
        }
    }
}

4. 参考文献

  • 《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践 第2版》