Java程序員必備：常見OOM異常分析

前言

放假這幾天，溫習了深入理解Java虛擬機的第二章，整理了JVM發生OOM異常的幾種情況，並分析原因以及解決方案，希望對大家有幫助。

Java 堆溢出

Java堆用於存儲對象實例，只要不斷地創建對象，並且保證GC Roots到對象之間有可達路徑來避免垃圾回收機制清除這些對象，那麼在對象數量到達最大堆的容量限制後就會產生內存溢出異常。

Java 堆溢出原因

無法在 Java 堆中分配對象
應用程序保存了無法被GC回收的對象。
應用程序過度使用 finalizer。

Java 堆溢出排查解決思路

1.查找關鍵報錯信息，如

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

2.使用內存映像分析工具（如Eclipsc Memory Analyzer或者Jprofiler）對Dump出來的堆儲存快照進行分析，分析清楚是內存泄漏還是內存溢出。

3.如果是內存泄漏，可進一步通過工具查看泄漏對象到GC Roots的引用鏈，修復應用程序中的內存泄漏。

4.如果不存在泄漏，先檢查代碼是否有死循環，遞歸等，再考慮用 -Xmx 增加堆大小。

demo代碼

package oom;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
 * JVM配置參數
 * -Xms20m    JVM初始分配的內存20m
 * -Xmx20m   JVM最大可用內存爲20m
 * -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 當JVM發生OOM時，自動生成DUMP文件
 * -XX:HeapDumpPath=/Users/weihuaxiao/Desktop/dump/  生成DUMP文件的路徑
 */
public class HeapOOM {
    static class OOMObject {
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
        //在堆中無限創建對象
        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

運行結果

按照前面的排查解決方案，我們來一波分析。

1.查找報錯關鍵信息

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

2. 使用內存映像分析工具Jprofiler分析產生的堆儲存快照

由圖可得，OOMObject這個類創建了810326個實例，是屬於內存溢出，這時候先定位到對應代碼，發現死循環導致的，修復即可。

棧溢出

關於虛擬機棧和本地方法棧，在Java虛擬機規範中描述了兩種異常：

如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError 異常；
如果虛擬機棧可以動態擴展，當擴展時無法申請到足夠的內存時會拋出 OutOfMemoryError 異常。

棧溢出原因

在單個線程下，棧幀太大，或者虛擬機棧容量太小，當內存無法分配的時候，虛擬機拋出StackOverflowError 異常。
不斷地建立線程的方式會導致內存溢出。

棧溢出排查解決思路

查找關鍵報錯信息，確定是StackOverflowError還是OutOfMemoryError
如果是StackOverflowError，檢查代碼是否遞歸調用方法等
如果是OutOfMemoryError，檢查是否有死循環創建線程等，通過-Xss降低的每個線程棧大小的容量

demo代碼

package oom;
/**
 * -Xss2M
 */
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) {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}

運行結果

1.查找報錯關鍵信息

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

2.確定是創建線程導致的棧溢出OOM

  Thread thread = new Thread(new Runnable(){
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            });

3.排查代碼，確定是否顯示使用死循環創建線程，或者隱式調用第三方接口創建線程（之前公司，調用騰訊雲第三方接口，上傳圖片，遇到這個問題）

方法區溢出

方法區，（又叫永久代，JDK8後，元空間替換了永久代），用於存放Class的相關信息，如類名、訪問修飾符、常量池、字段描述、方法描述等。運行時產生大量的類，會填滿方法區，造成溢出。

方法區溢出原因

使用CGLib生成了大量的代理類，導致方法區被撐爆
在Java7之前，頻繁的錯誤使用String.intern方法
大量jsp和動態產生jsp
應用長時間運行，沒有重啓

方法區溢出排查解決思路

檢查是否永久代空間設置得過小
檢查代碼是否頻繁錯誤得使用String.intern方法
檢查是否跟jsp有關。
檢查是否使用CGLib生成了大量的代理類
重啓大法，重啓JVM

demo代碼

package oom;
import org.springframework.cglib.proxy.Enhancer;
import org.springframework.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import org.springframework.cglib.proxy.MethodProxy;
import java.lang.reflect.Method;
/**
 *  jdk8以上的話，
 *  虛擬機參數：-XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M
 */
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 {
    }
}

運行結果

1.查找報錯關鍵信息

Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

2.檢查JVM元空間設置參數是否過小

-XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M

3. 檢查對應代碼,是否使用CGLib生成了大量的代理類

  while (true) {
  ...
   enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                public Object intercept(Object obj, Method method,
                                        Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
                    return proxy.invokeSuper(obj, args);
                }
            });
            enhancer.create();
  }

本機直接內存溢出

直接內存並不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java 虛擬機規範中定義的內存區域。但是，這部分內存也被頻繁地使用，而且也可能導致OOM。

在JDK1.4 中新加入了NIO(New Input/Output)類，它可以使用 native 函數庫直接分配堆外內存，然後通過一個存儲在Java堆中的 DirectByteBuffer 對象作爲這塊內存的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因爲避免了在 Java 堆和 Native 堆中來回複製數據。

直接內存溢出原因

本機直接內存的分配雖然不會受到Java 堆大小的限制，但是受到本機總內存大小限制。
直接內存由 -XX:MaxDirectMemorySize 指定，如果不指定，則默認與Java堆最大值（-Xmx指定）一樣。
NIO程序中，使用ByteBuffer.allocteDirect(capability)分配的是直接內存，可能導致直接內存溢出。

直接內存溢出

檢查代碼是否恰當
檢查JVM參數-Xmx，-XX:MaxDirectMemorySize 是否合理。

demo代碼

package oom;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * -Xmx256m -XX:MaxDirectMemorySize=100M
 */
public class DirectByteBufferTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        //分配128MB直接內存
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(1024*1024*128);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
        System.out.println("ok");
    }
}

運行結果

ByteBuffer分配128MB直接內存，而JVM參數-XX:MaxDirectMemorySize=100M指定最大是100M，因此發生直接內存溢出。

 ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(1024*1024*128);

GC overhead limit exceeded

這個是JDK6新加的錯誤類型，一般都是堆太小導致的。
Sun 官方對此的定義：超過98%的時間用來做GC並且回收了不到2%的堆內存時會拋出此異常。

解決方案

檢查項目中是否有大量的死循環或有使用大內存的代碼，優化代碼。
檢查JVM參數-Xmx -Xms是否合理
dump內存，檢查是否存在內存泄露，如果沒有，加大內存。

demo代碼

package oom;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
 * JVm參數 -Xmx8m -Xms8m
 */
public class GCoverheadTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
            executor.execute(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(10000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    //do nothing
                }
            });
        }
    }
}

運行結果

實例代碼使用了newFixedThreadPool線程池，它使用了無界隊列，無限循環執行任務，會導致內存飆升。因爲設置了堆比較小，所以出現此類型OOM。

總結

本文介紹了以下幾種常見OOM異常

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

希望大家遇到OOM異常時，對症下藥，順利解決問題。同時，如果有哪裏寫得不對，歡迎指出，感激不盡。

參考與感謝

JVM系列之實戰內存溢出異常
JVM 發生 OOM 的 8 種原因、及解決辦法
NIO-直接內存
《深入理解Java虛擬機》

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Java程序員必備：常見OOM異常分析

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Java 堆溢出

Java 堆溢出原因

Java 堆溢出排查解決思路

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棧溢出

棧溢出原因

棧溢出排查解決思路

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方法區溢出

方法區溢出原因

方法區溢出排查解決思路

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本機直接內存溢出

直接內存溢出原因

直接內存溢出

demo代碼

運行結果

GC overhead limit exceeded

解決方案

demo代碼

運行結果

總結

參考與感謝

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