正文

本文通過幾段程式碼模擬實際的記憶體溢位異常。

文中程式碼都是基於Oracle公司的HotSpot虛擬機器執行的。

1. Java堆溢位

1.1 模擬場景

Java堆用於儲存物件，只要不斷的建立物件，並保證GC Roots到物件之間有可達路徑來避免垃圾回收機制清除這些物件，

那麼在物件數量到達最大堆的容量限制後就會產生記憶體溢位異常。

package com.lindaxuan.outofmemory;

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

/**
 * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * 將堆的最小值-Xms引數與最大值-Xmx引數設定為一樣即可避免堆自動擴充套件。
 * 
 
@author linxuan
 */
public class HeapOOM {

    static class OOMObject {
    }

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

        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}
/*
result:
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid9220.hprof ...
Heap dump file created [27717826 bytes in 0.160 secs]
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.lindaxuan.outofmemory.HeapOOM.main(HeapOOM.java:19)
   at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
   at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:57)
   at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
   at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:606)
   at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:144)
 
 
*/

1.2 用記憶體影響分析工具分析堆快照

2.虛擬機器棧和本地方法棧溢位

HotSpot虛擬機器中不區分虛擬機器棧和本地方法棧。棧容量用-Xss引數設定。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鎖允許的最大深度，將丟擲StackOverflowError異常。
• 如果虛擬機器在擴充套件棧時無法申請到足夠的記憶體空間，則丟擲OutOfMemoryError異常。

2.1 StackOverflowError異常

package com.lindaxuan.outofmemory;

/**
 * VM Args：-Xss128k
 * Error: Could not create the Java Virtual Machine.

 Error: A fatal exception has occurred. Program will exit.
 The stack size specified is too small, Specify at least 160k

 VM Args：-Xss256k
 * 
 
@author linxuan
 */
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;
        }
    }
}

/*
result:
stack length:1868
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
   at com.lindaxuan.outofmemory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:18)
   at com.lindaxuan.outofmemory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:19)
   at com.lindaxuan.outofmemory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:19)
   at com.lindaxuan.outofmemory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:19)
   at com.lindaxuan.outofmemory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:19)
   at com.lindaxuan.outofmemory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:19)
   at com.lindaxuan.outofmemory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:19)
   at com.lindaxuan.outofmemory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:19)
   at com.lindaxuan.outofmemory.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:19)
   ...
 */

當單個執行緒下，無論是由於棧幀太大還是虛擬機器棧容量太小，當記憶體無法分配的時候，虛擬機器丟擲的都是StackOverflowError異常。

2.2 OutOfMemoryError異常

package com.lindaxuan.outofmemory;

/**
 * VM Args：-Xss2M （這時候不妨設大些）
 * @author linxuan
 */
public class JavaVMStackOOM {

    private void dontStop() {
        while (true) {
        }
    }

    public void stackLeakByThread() {
        while (true) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}
/*
my result:
run too long
 */

3.方法區和執行時常量池溢位

3.1 執行時常量區溢位

下面這段程式碼需要jdk1.6模擬。

package com.lindaxuan.outofmemory;

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

/**
 * VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author zzm
 * could not download jdk1.6 for macos
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {

    public static void main(String[] args) {
        // 使用List保持著常量池引用，避免Full GC回收常量池行為
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        // 10MB的PermSize在integer範圍內足夠產生OOM了
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}
/*
result:
run too long
 */

String.intern()返回引用的測試

package com.lindaxuan.outofmemory;

public class RuntimeConstantPoolOOM2 {

    public static void main(String[] args) {
        String str1 = new StringBuilder("中國").append("釣魚島").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);

        String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }
}
/*
result:
true
false
 */

對於jdk1.6，intern()方法會把首次遇到的字串例項複製到永久代中，返回的也是永久代中這個字串例項的引用。

而StringBuilder建立的字串例項在Java堆，所以必然不是同一個引用，將返回false。

而jdk1.7中的intern()實現不會複製例項，只是在常量池中首次出現的例項引用，因此intern()返回的引用和由StringBuild建立的那個字串例項是同一個。

3.2 String建立物件和對應記憶體狀態

再看另一段程式碼

public class StringConstantPool {
    public static void main(String[] args) {

        String str1 = new StringBuilder("中國").append("釣魚島").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);

        String str2 = new String("倚天不屠龍");
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }
}
/*
true
false
 */

“中國釣魚島”和“倚天不屠龍”都在常量區中不存在，那麼為什麼輸出結果一個是true，另一個是false呢？

這就涉及到建立String物件的原理。下面我們將程式碼和記憶體對應起來看一下。

String str1 = new StringBuilder("中國").append("釣魚島").toString(); ////String建立物件時，會把引數"中國"和“釣魚島”放到常量池中

記憶體狀態1

System.out.println(str1.intern() == str1); // str1.intern()將str1的引用複製到常量池中

記憶體狀態2

String str2 = new String("倚天不屠龍"); //String建立物件時，會把引數"倚天不屠龍"放到常量池中

記憶體狀態3

System.out.println(str2.intern() == str2); // str2.intern()先去常量池中看有沒有"倚天不屠龍"，已經有了。

記憶體狀態4 (和記憶體狀態3一致)

3.3 執行時方法區溢位

下面一段程式碼藉助CGLib使方法區出現記憶體溢位異常。

package com.lindaxuan.outofmemory;

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

import java.lang.reflect.Method;

/**
 * VM Args： -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author linxuan
 */
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() {
                public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
                    return proxy.invokeSuper(obj, args);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }

    static class OOMObject {

    }
}
/*
 * result:
 Exception in thread "main"
 Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"
*/

4.本機直接記憶體溢位

DirectMemory容量可通過-XX: MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，則預設與Java堆最大值 (-Xmx指定)一樣。

package com.lindaxuan.outofmemory;

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

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

以上是模擬各種型別的記憶體溢位異常。

注：

本文的程式碼基於於深入理解Java虛擬機器 2.4 實戰：OutOfMemoryError異常，有輕微調整。

虛擬機器的引數根據機器效能不同可以靈活調整。

5. JVM相關wiki和工具