Java8虛擬機器（JVM）記憶體溢位實戰

前言

相信很多JAVA中高階的同學在面試的時候會經常碰到一個面試題
你是如何在工作中對JVM調優和排查定位問題的？

事實上，如果使用者量不大的情況下，在你的程式碼還算正常的情況下，在工作中除非真正碰到與JVM相關的問題是少之又少，就算碰到了也是由公司的一些大牛去排查解決，那麼我們又如何積累這方面的經驗呢？下面由衝鍋帶大家一起來實踐JVM的調優吧

注意我們平常所說的JVM調優一般指Java堆，Java虛擬機器棧引數調優

Java堆溢位

先來一段程式碼示例，注意筆者用的是IDEA工具，需要配置一下VM options 為-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，如果不清楚的百度一下如何配置idea的JVM執行引數

package com.example.demo.jvm;

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

/**
 * @Author: Wang Chong 
 * @Date: 2019/9/22 9:37
 * @Version: V1.0
 */
public class HeapOutMemoryTest {
    static class ChongGuo {

    }
    public static void main(String[] args) {
        List<ChongGuo> chongGuos = new ArrayList<>();
        while (true) {
            chongGuos.add(new ChongGuo());
        }
    }
}

執行結果如下：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid9352.hprof ...
Heap dump file created [28701160 bytes in 0.122 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:261)
	at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
	at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
	at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
	at com.example.demo.jvm.HeapOutMemoryTest.main(HeapOutMemoryTest.java:18)
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:54599', transport: 'socket'

可以看到控制檯出現java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space的錯誤，這是為什麼呢，首先先解釋一下上面的執行引數

• -Xms20m:設定JVM最小記憶體為20m。此值可以設定與-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成後JVM重新分配記憶體
• -Xmx20m:設定JVM最大可用記憶體20M
• -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 表示當JVM發生OOM時，自動生成DUMP檔案

下面我們分析一下出錯的原因，用JProfiler分析一下，開啟剛才生成的名為java_pid9352.hprof的dump檔案。可以看到根據（InstanceXcount和Size）基本可以確定哪個類的物件出現問題,在上面示例中，可以是ChongGuo這個例項生在數量的大小已經超過12M，但沒有超過20M，那麼新問題又來了？沒到20M為啥會報堆記憶體溢位呢？

答案就是JDK8中堆記憶體中還包括Metaspace,即元記憶體空間，在元空間出現前JDK1.7之前在JDK7以及其前期的JDK版本號中。堆記憶體通常被分為三塊區域Nursery記憶體(young generation)、長時記憶體(old generation)、永久記憶體(Permanent Generation for VM Matedata)，如下圖

當中最上一層是年輕代，一個物件被建立以後首先被放到年輕代中的Eden記憶體中，假設存活期超兩個Survivor之後就會被轉移到長時記憶體中(Old Generation)中永久記憶體中存放著物件的方法、變數等後設資料資訊。透過假設永久記憶體不夠。我們就會得到例如以下錯誤：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen
而在JDK8中情況發生了明顯的變化，就是普通情況下你都不會得到這個錯誤，原因
在於JDK8中把存放後設資料中的永久記憶體從堆記憶體中移到了本地記憶體(native memory)
中，JDK8中JVM堆記憶體結構就變成了例如以下：

如果我啟動VM引數加上：-XX:MaxMetaspaceSize=1m，重新執行一下上面的程式，

Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:56433', transport: 'socket'
java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
Dumping heap to java_pid9232.hprof ...
Heap dump file created [1604635 bytes in 0.024 secs]
FATAL ERROR in native method: processing of -javaagent failed
Exception in thread "main" Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:56433', transport: 'socket'

Process finished with exit code 1

可以發現報錯資訊變成了java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace,說明元空間不夠，我改成到大概4m左右才能滿足啟動條件。

虛擬機器棧和本地方法棧棧溢位

在Java虛擬機器規範中描述了兩種異常：

• 如果執行緒請求的棧深度大於虛擬機器所允許的最大深度，將丟擲StackOverflowError異常
• 如果虛擬機器在擴充套件棧無法申請到足夠的記憶體空間，則丟擲OutOfMemoryError異常

StackOverflowError比較好測試，測試程式碼如下：

package com.example.demo.jvm;

/**
 * @Author: Wang Chong
 * @Date: 2019/9/22 19:09
 * @Version: V1.0
 */
public class StackOverflowTest {

    /**
     * 棧大小
     */
    private int stackLength = 1;

    /**
     * 遞迴壓棧
     */
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

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

    }

}

執行結果如下：

Exception in thread "main" stack length is :20739
java.lang.StackOverflowError
	at com.example.demo.jvm.StackOverflowTest.stackLeak(StackOverflowTest.java:20)
	at com.example.demo.jvm.StackOverflowTest.stackLeak(StackOverflowTest.java:20)

在VM引數-Xss引數未設定的情況下，該執行緒的記憶體支援的棧深度為20739，該測試結果與機器的記憶體大小有關，不過上面的第二點如何測試呢？正常來說如果是單執行緒，則難以測試記憶體洩露的情況，那麼多執行緒呢？我們看一下以下測試程式碼：

package com.example.demo.jvm;

/**
 * @Author: Wang Chong
 * @Date: 2019/9/22 19:09
 * @Version: V1.0
 */
public class StackOOMTest implements Runnable{

    /**
     * 棧大小
     */
    private int stackLength = 1;

    /**
     * 遞迴壓棧
     */
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
       while (true){
           StackOOMTest stackOverflowTest = new StackOOMTest();
           new Thread(stackOverflowTest).start();
       }

    }

    @Override
    public void run() {
       stackLeak();
    }
}

如果系統不假死的情況下，會出現Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError:unable to create new native thread

執行時常量池溢位

• 字元型常量池溢位，在JAVA8中也是堆溢位，測試程式碼如下：

package com.example.demo.jvm;

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

/**
 * @Author: Wang Chong
 * @Date: 2019/9/22 19:44
 * @Version: V1.0
 */
public class RuntimePoolOOMTest {

    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i).intern());
        }
    }
}

結果如下：

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:261)
	at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
	at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
	at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
	at com.example.demo.jvm.RuntimePoolOOMTest.main(RuntimePoolOOMTest.java:17)
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:50253', transport: 'socket'

證明字元常量池已經在Java8中是在堆中分配的。

方法區溢位

在Java7之前，方法區位於永久代(PermGen)，永久代和堆相互隔離，永久代的大小在啟動JVM時可以設定一個固定值，不可變；Java8仍然保留方法區的概念，只不過實現方式不同。取消永久代，方法存放於元空間(Metaspace)，元空間仍然與堆不相連，但與堆共享實體記憶體，邏輯上可認為在堆中
測試程式碼如下，為快速看出結果，請加入VM引數-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:MaxMetaspaceSize=10m：

package com.example.demo.jvm;

import org.springframework.cglib.proxy.Enhancer;
import org.springframework.cglib.proxy.MethodInterceptor;

/**
 * @Author: Wang Chong
 * @Date: 2019/9/22 19:56
 * @Version: V1.0
 */
public class MethodAreaOOMTest {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (o, method, objects, methodProxy) -> methodProxy.invokeSuper(o,
                    objects));
            enhancer.create();
        }
    }

    static class OOMObject {

    }
}

執行結果如下：

java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
Dumping heap to java_pid8816.hprof ...
Heap dump file created [6445908 bytes in 0.039 secs]
Exception in thread "main" org.springframework.cglib.core.CodeGenerationException: java.lang.reflect.InvocationTargetException-->null
	at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:345)
	at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492)
	at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:114)
	at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:291)
	at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480)
	at org.springframework.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:305)
	at com.example.demo.jvm.MethodAreaOOMTest.main(MethodAreaOOMTest.java:19)
Caused by: java.lang.reflect.InvocationTargetException
	at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1.invoke(Unknown Source)
	at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
	at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
	at org.springframework.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:459)
	at org.springframework.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:336)
	... 6 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
	at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)
	... 11 more

Process finished with exit code 1

元空間記憶體報錯，證明方法區的溢位與元空間相關。

總結如下：

• 正常JVM調優都是針對堆記憶體和棧記憶體、元空間的引數做相應的改變
• 元空間並不在虛擬機器中，而是使用本地記憶體。因此，預設情況下，元空間的大小僅受本地記憶體限制，但可以透過以下引數來指定元空間的大小：
• -XX:MetaspaceSize，初始空間大小，達到該值就會觸發垃圾收集進行型別解除安裝，同時GC會對該值進行調整：如果釋放了大量的空間，就適當降低該值；如果釋放了很少的空間，那麼在不超過MaxMetaspaceSize時，適當提高該值。
• -XX:MaxMetaspaceSize，最大空間，預設是沒有限制的。
• 字串池常量池在每個VM中只有一份，存放的是字串常量的引用值,存放在堆中

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