Java 常見內存溢出異常與代碼實現

2019-11-11 07:50:34

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供稿：網友

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Java 堆 OutOfMemoryError

Java 堆是用來存儲對象實例的, 因此如果我們不斷地創建對象, 并且保證 GC Root 和創建的對象之間有可達路徑以免對象被垃圾回收, 那么當創建的對象過多時, 會導致 heap 內存不足, 進而引發 OutOfMemoryError 異常.

/** * @author xiongyongshun * VM Args: java -Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError */public class OutOfMemoryErrorTest {    public static void main(String[] args) {        List<Integer> list = new ArrayList<>();        int i = 0;        while (true) {            list.add(i++);        }    }}上面是一個引發 OutOfMemoryError 異常的代碼, 我們可以看到, 它就是通過不斷地創建對象, 并將對象保存在 list 中防止其被垃圾回收, 因此當對象過多時, 就會使堆內存溢出。
通過 java -Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 我們設置了堆內存為 10 兆, 并且使用參數 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 讓 JVM 在發生 OutOfMemoryError 異常時打印出當前的內存快照以便于后續分析.
編譯運行上述代碼后, 會有如下輸出:
>>> java -Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError com.test.OutOfMemoryErrorTest                                                                                            16-10-02 23:35java.lang.OutOfMemoryError: Java heap spaceDumping heap to java_pid1810.hPRof ...Heap dump file created [14212861 bytes in 0.125 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.test.OutOfMemoryErrorTest.main(OutOfMemoryErrorTest.java:15)Java 棧 StackOverflowError
我們知道, JVM 的運行時數據區中有一個叫做 虛擬機棧 的內存區域, 此區域的作用是: 每個方法在執行時都會創建一個棧幀, 用于存儲局部變量表, 操作數棧, 方法出口等信息.
因此我們可以創建一個無限遞歸的遞歸調用, 當遞歸深度過大時, 就會耗盡?？臻g, 進而導致了 StackOverflowError 異常.
下面是具體的代碼:
/** * @author xiongyongshun * VM Args: java -Xss64k */public class OutOfMemoryErrorTest {    public static void main(String[] args) {        stackOutOfMemoryError(1);    }    public static void stackOutOfMemoryError(int depth) {        depth++;        stackOutOfMemoryError(depth);    }}當編譯運行上述的代碼后, 會輸出如下異常信息:
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError    at com.test.OutOfMemoryErrorTest.stackOutOfMemoryError(OutOfMemoryErrorTest.java:27)方法區內存溢出
注意, 因為 JDK8 已經移除了永久代, 取而代之的是 metaspace, 因此在 JDK8 中, 下面兩個例子都不會導致 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 異常.
運行時常量池溢出
在 Java 1.6 以及之前的 HotSpot JVM 版本時, 有永久代的概念, 即 GC 的分代收集機制是擴展至方法區的. 在方法區中, 有一部分內存是用于存儲常量池, 因此如果代碼中常量過多時, 就會耗盡常量池內存, 進而導致內存溢出.那么如何添加大量的常量到常量池呢? 這時就需要依靠 String.intern() 方法了. String.intern() 方法的作用是: 若此 String 的值在常量池中已存在, 則這個方法返回常量池中對應字符串的引用; 反之將此 String 所包含的值添加到常量池中, 并返回此 String 對象的引用. 在 JDK 1.6 以及之前的版本中, 常量池分配在永久代中, 因此我們可以通過設置參數 “-XX:PermSize” 和 “-XX:MaxPermSize” 來間接限制常量池的大小.
注意, 上面所說的 String.intern() 方法和常量池的內存分布僅僅針對于 JDK 1.6 及之前的版本, 在 JDK 1.7 或以上的版本中, 由于去除了永久代的概念, 因此內存布局稍有不同.
下面是實現常量池內存溢出的代碼例子:
/** * @author xiongyongshun * VM Args:  -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M  */public class RuntimeConstantPoolOOMTest {    public static void main(String[] args) {        List<String> list = new ArrayList<String>();        int i = 0;        while (true) {            list.add(String.valueOf(i++).intern());        }    }}我們看到, 這個例子中, 正是使用了 String.intern() 方法, 向常量池中添加了大量的字符串常量, 因而導致了常量池的內存溢出.
我們通過 JDK1.6 編譯并運行上面的代碼, 會有如下輸出:
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space        at java.lang.String.intern(Native Method)        at com.test.RuntimeConstantPoolOOMTest.main(RuntimeConstantPoolOOMTest.java:16)需要注意的是, 如果通過 JDK1.8 來編譯運行上面代碼的話, 會有如下警告, 并且不會產生任何的異常:
>>> java -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M com.test.RuntimeConstantPoolOOMTest                                                                                                  16-10-03 0:23Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10M; support was removed in 8.0Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10M; support was removed in 8.0方法區的內存溢出
方法區作用是存放 Class 的相關信息, 例如類名, 類訪問修飾符, 字段描述, 方法描述等. 因此如果方法區過小, 而加載的類過多, 就會造成方法區的內存溢出.
//VM Args:  -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10Mpublic class MethodAreaOOMTest {    public static void main(String[] args) {        while (true) {            Enhancer enhancer = new Enhancer();            enhancer.setSuperclass(MethodAreaOOMTest.class);            enhancer.setUseCache(false);            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {                public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {                    return methodProxy.invokeSuper(o, objects);                }            });            enhancer.create();        }    }}上面的代碼中, 我們借助 CGlib 來動態地生成大量的類, 在 JDK6 下, 運行上面的代碼會產生 OutOfMemoryError: PermGen space 異常:
/System/Library/Frameworks/JavaVM.framework/Versions/1.6/Home/bin/java -jar -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M target/Test-1.0-SNAPSHOT.jar輸出結果如下:
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space        at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)        at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(ClassLoader.java:637)        at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:621)        ... 11 moreMetaSpace 內存溢出
在 方法區的內存溢出 內存溢出一節中, 我們提到, JDK8 沒有了永久代的概念, 因此那兩個例子在 JDK8 下沒有實現預期的效果. 那么在 JDK8 下, 是否有類似方法區內存溢出之類的錯誤呢? 當然有的. 在 JDK8 中, 使用了 MetaSpace 的區域來存放 Class 的相關信息, 因此當 MetaSpace 內存空間不足時, 會拋出 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace 異常.
我們還是以上面提到的例子為例:
//VM Args: -XX:MaxMetaspaceSize=10Mpublic class MethodAreaOOMTest {    public static void main(String[] args) {        while (true) {            Enhancer enhancer = new Enhancer();            enhancer.setSuperclass(MethodAreaOOMTest.class);            enhancer.setUseCache(false);            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {                public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {                    return methodProxy.invokeSuper(o, objects);                }            });            enhancer.create();        }    }}此例子的代碼部分沒有改動, 唯一的區別是我們需要使用 JDK8 來運行這段代碼, 并且設著參數 -XX:MaxMetaspaceSize=10M, 這個參數告訴 JVM Metaspace 的最大大小是 10M.
接著我們使用 JDK8 來編譯運行這個例子, 輸出如下異常:
>>> java -jar -XX:MaxMetaspaceSize=10M target/Test-1.0-SNAPSHOT.jarException in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace    at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:345)    at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492)    at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:114)    at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:291)    at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480)    at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:305)    at com.test.MethodAreaOOMTest.main(MethodAreaOOMTest.java:22)
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