Java内存溢出的几种情况

本文通过几段代码模拟实际的内存溢出异常。

文中代码都是基于Oracle公司的HotSpot虚拟机运行的。

1. Java堆溢出

1.1 模拟场景

Java堆用于存储对象，只要不断的创建对象，并保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，

那么在对象数量到达最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。

package com.lindaxuan.outofmemory;

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

/**
 * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * 将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为一样即可避免堆自动扩展。
 * @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 用内存影响分析工具分析堆快照

 

2.虚拟机栈和本地方法栈溢出

HotSpot虚拟机中不区分虚拟机栈和本地方法栈。栈容量用-Xss参数设定。Java虚拟机规范中描述了两种异常：

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机锁允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常。
• 如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

2.1 StackOverflowError异常

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)
   ...
 */

当单个线程下，无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。

2.2 OutOfMemoryError异常

package com.lindaxuan.outofmemory;

/**
 * VM Args：-Xss2M （这时候不妨设大些）
 * @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.方法区和运行时常量池溢出

3.1 运行时常量区溢出

下面这段代码需要jdk1.6模拟。

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保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        // 10MB的PermSize在integer范围内足够产生OOM了
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}
/*
result:
run too long
 */

String.intern()返回引用的测试

package com.lindaxuan.outofmemory;

public class RuntimeConstantPoolOOM2 {

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

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

对于jdk1.6，intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中，返回的也是永久代中这个字符串实例的引用。

而StringBuilder创建的字符串实例在Java堆，所以必然不是同一个引用，将返回false。

而jdk1.7中的intern()实现不会复制实例，只是在常量池中首次出现的实例引用，因此intern()返回的引用和由StringBuild创建的那个字符串实例是同一个。

3.2 String创建对象和对应内存状态

再看另一段代码

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

        String str1 = new StringBuilder("中国").append("钓鱼岛").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);

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

“中国钓鱼岛”和“倚天不屠龙”都在常量区中不存在，那么为什么输出结果一个是true，另一个是false呢？

这就涉及到创建String对象的原理。下面我们将代码和内存对应起来看一下。

String str1 = new StringBuilder("中国").append("钓鱼岛").toString(); ////String创建对象时，会把参数"中国"和“钓鱼岛”放到常量池中

内存状态1

 

 

 

System.out.println(str1.intern() == str1); // str1.intern()将str1的引用复制到常量池中

内存状态2

String str2 = new String("倚天不屠龙"); //String创建对象时，会把参数"倚天不屠龙"放到常量池中

内存状态3

System.out.println(str2.intern() == str2); // str2.intern()先去常量池中看有没有"倚天不屠龙"，已经有了。

内存状态4 (和内存状态3一致)

3.3 运行时方法区溢出

下面一段代码借助CGLib使方法区出现内存溢出异常。

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.本机直接内存溢出

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

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);
        }
    }
}

以上是模拟各种类型的内存溢出异常。

 

注：

本文的代码基于于深入理解Java虚拟机 2.4 实战：OutOfMemoryError异常，有轻微调整。

虚拟机的参数根据机器性能不同可以灵活调整。

5. JVM相关wiki和工具

内存分析工具，memory analyzer下载

借HSDB来探索HotSpot VM的运行时数据

java反编译工具javap

java基础和工具

JAVA虚拟机体系结构