《深入理解java虚拟机》笔记（3）实战：OutOfMemoryError异常

一、Java堆溢出

测试代码：

/**
 * <p>Java堆异常测试</p>
 * <code>VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=E:job</code>
 * <p>以上参数的含义是：限制Java堆大小为20MB，不可扩展</p>
 * <p>通过此参数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</p>
 * <p>将内存溢出快照存储到指定路径：E:job</p>
 */
public class HeapOOM {
    
    static class OOMObject {}
    
    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
        while(true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

执行结果：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to E:job ...
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2245)
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2219)
    at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:242)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:216)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:208)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:440)
    at com.sandy.jvm.chapter02.HeapOOM.main(HeapOOM.java:19)

针对这类异常，可通过分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对异常快照进行分析，找到具体发生异常代码。

二、虚拟机栈和本地方法栈的溢出

由于HotSpot虚拟机不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此不需要设置-Xoss参数，栈容量只由-Xss参数设定。

针对栈，虚拟机规范了两种异常：

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。

测试代码：

/**
 * VM Args: -Xss128k
 */
public class JavaStackSOF {
    
    private int stackLength = 1;
    
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        JavaStackSOF oom = new JavaStackSOF();
        try{
            oom.stackLeak();
        }catch(Throwable e) {
            System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

执行结果：

stack length:2101
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at com.sandy.jvm.chapter02.JavaStackSOF.stackLeak(JavaStackSOF.java:13)
    at com.sandy.jvm.chapter02.JavaStackSOF.stackLeak(JavaStackSOF.java:14)
    at com.sandy.jvm.chapter02.JavaStackSOF.stackLeak(JavaStackSOF.java:14)
    at com.sandy.jvm.chapter02.JavaStackSOF.stackLeak(JavaStackSOF.java:14)
    at com.sandy.jvm.chapter02.JavaStackSOF.stackLeak(JavaStackSOF.java:14)
    at com.sandy.jvm.chapter02.JavaStackSOF.stackLeak(JavaStackSOF.java:14)
    at com.sandy.jvm.chapter02.JavaStackSOF.stackLeak(JavaStackSOF.java:14)
    ...

单个线程下，无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，虚拟机抛出的都是StackOverflowError。

如果虚拟机扩展栈时，无法申请到足够的空间，将抛出OutOfMemoryError异常。

测试代码：

/**
 * VM Args: -Xss2M (这时候不妨设置大一点点)
 */
public class JavaStackOOM {
    private void dontstop() {
        while(true) {
            
        }
    }
    
    public void stackLeakThread() {
        while(true) {
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    dontstop();
                }
            }.start();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        JavaStackOOM oom = new JavaStackOOM();
        oom.stackLeakThread();
    }
}

测试结果会抛出：Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

这种情况下，为每个线程栈分配的内存越大，越容易出现内存溢出。

原因是：操作系统为每个进程分配的内存有限制，比如32位windows限制为2GB，栈内存=2GB-Xmx（最大堆容量）-MaxPermSize（最大方法区容量），每个线程分配的栈内存越大，可创建的线程数就越少，越容易把剩下内存耗尽。

三、方法区和常量池溢出

String.intern()是一个Native方法，作用是：如果字符串常量池已包含了一个等于String对象的字符串，则返回这个字符串的String对象，否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池，并且返回此String对象的引用。

在jdk1.6及之前版本，常量池分配在永久代中，可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小。

/*
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M(限制常量池容量)
 *
 */
public class RunTimeConstantPoolOutOfMemoryError {

    public static void main(String[] args) {
        // 使用list保持常量池引用，避免常量池内的数据被垃圾回收清除
        List<String> list = new ArrayList<>();
        long i = 0;
        while (true) {
            String string = (i++) + "";
            list.add(string.intern());
        }
    }
}

此段代码在jdk6之前的版本中运行时会产生：Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 其中PermGen space指示内存溢出发生在运行时常量池中。

在jdk7的环境中运行得到的结果却是： Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 指示内存溢出发生在堆中而不是方法区中的常量池。

因为在 JDK1.2 ~ JDK6 的实现中，HotSpot 使用永久代实现方法区，而从 JDK7 开始 Oracle HotSpot 开始移除永久代，JDK7中符号表被移动到 Native Heap中，字符串常量和类引用被移动到 Java Heap中。在 JDK8 中，永久代已完全被元空间(Meatspace)所取代。

四、本机直接内存溢出

DirectMemory容量可通过-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，默认与Java堆最大值一样。

测试代码：

/**
 * 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 unsafeFiled = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeFiled.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe)unsafeFiled.get(null);
        while(true) {
            unsafe.allocateMemory(_1MB);
        }
    }
}

测试结果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at com.sandy.jvm.chapter02.DirectMemoryOOM.main(DirectMemoryOOM.java:22)

由DirectMemory导致的内存溢出，明显特征是在Heap Dump文件中不会看见明显的异常，如果发现Dump文件很小，而程序直接或间接使用了NIO，那可以考虑是否由此原因引起。