【JVM】内存溢出分析
一 内存溢出概述
在Java虚拟机规范的描述中，除了程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时数据区域
都有发生内存溢出异常(OutOfMemoryError，简称OOM)的可能。
内存溢出就是在申请内存的时候，没有足够的内存，这个时候就会抛出内存溢出异常。
内存溢出和内存泄漏的区别：
内存泄漏是由于使用不当，把一部分内存“丢掉了”，导致这部分内存不可用。
当在堆中创建了对象，后来没有使用这个对象了，又没有把整个对象的相关引用设为null。
此时垃圾收集器会认为这个对象是需要的，就不会清理这部分内存。
这就会导致这部分内存不可用。所以内存泄漏会导致可用的内存减少，进而会导致内存溢出。
二 运行时数据区
运行时数据区除了程序计数器外，还包括Java堆、虚拟机栈和本地方法栈、方法区。
关于jvm内存模型可以参考: JVM内存模型
除了运行时数据区会出现内存溢出外，还有一个本地直接内存也会发生内存溢出。
在对每个区域内存溢出分析前，需要先认识几个以下分析中会遇到的JVM参数：
-XX:+HeapDumpOnOutofMemoryError dump的时候转储堆快照
-Xms 堆最小容量(heap min size)
-Xmx 堆最大容量(heap max size)
-Xss 栈容量(stack size)
-XX:PermSize=size 永生代最小容量
-XX:MaxPermSize=size 永生代最大容量
三 内存溢出实例分析
注意: 以下代码实例执行前，需要先配置好相应的JVM参数在运行程序！
1、Java堆溢出
Java堆用于存储对象的实例，只要不断地创建对象，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。
代码：
package com.lanhuigu.jvm.oom;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
* 描述: -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 生成hprof文件，该文件在项目目录下
*/
public class HeapOOM {
static class OOMObject {
}
public static void main(String[] args) {
List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
while (true) {
// 疯狂创建对象
list.add(new OOMObject());
}
}
}
运行结果：
代码分析：
该段代码将Java堆的大小限制为20MB，不可以扩展(将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx
参数设置为一样避免堆自动扩展)，通过-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError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用于分析。
这段代码疯狂的创建对象，虽然对象没有声明变量名引用，但是将对象添加到队列list中，
这样队列l就持有了一份对象的引用通过可达性算法(jvm判断对象是否可被收集的算法)分析，
队列list作为GC Root，每一个对象都是list的一个可达的节点，所以疯狂创建的对象不会被收集，
这就是内存泄漏，之后就会导致内存溢出。
程序运行完后，可以看到java_pid1216.hprof文件生成了。然后通过visualVM工具进行快照分析。
visualVM是jdk自带的可视化监视工具visualVM，位置在jdk安装目录下的bin目录中，双击直接运行即可。
分析依据，如果发生内存泄漏：
1）找出泄漏的对象
2）找到泄漏对象的GC Root
3）根据泄漏对象和GC Root找到导致内存泄漏的代码
4）想法设法解除泄漏对象与GCRoot的连接
如果不存在泄漏：
1）检查虚拟机堆参数，与物理集群内存对比，看下是否能增大jvm堆的最大容量。
2）检查代码是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，
优化程序，尝试减少程序运行期的内存消耗，减小对象的生命周期。
通过工具打开hprof文件：
从概述中可以看到异常原因，以及异常导致的线程main，点击main链接进入：
异常对象详情（实例数据）:
2、虚拟机栈和本地方法栈溢出
调用方法的时候，会在栈中入栈一个栈帧，如果当前栈的容量不足，就会发生栈溢出StackOverFlowError
那么只要疯狂的调用方法，并且有意的不让栈帧出栈就可以导致栈溢出了。
代码：
package com.lanhuigu.jvm.oom;
/**
* VM Args: -Xss200k
*/
public class JavaVMStackSOF {
private int stackLength = 1;
public void stackLeak() {
stackLength++;
stackLeak();
}
public static void main(String[] args) {
JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
try {
oom.stackLeak();
} catch (Throwable e) {
System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);
throw e;
}
}
}
运行结果：
代码分析：
jvm设置参数-Xss200k，目的是缩小栈的空间，这样栈溢出“来的快一点”
程序中用了递归，让栈帧疯狂的入栈，又不让栈帧出栈，这样就会栈溢出了。
3、运行时常量池溢出
这里储存的是一些常量、字面量。如果运行时常量池内存不足，就会发生内存溢出。
从jdk1.7开始，运行时常量池移动到了堆中，所以如果堆的内存不足，也会导致运行时常量池内存溢出。
基于jdk8的代码:
package com.lanhuigu.jvm.oom;
import java.util.LinkedList;
/**
* VM Args:
* jdk6以前：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
* jdk7开始：-Xms10m -Xmx10m -XX:-UseGCOverheadLimit
*/
public class RuntimePoolOOM {
public static void main(String[] args){
// 使用list保持常量的引用，避免Full GC回收常量池
LinkedList<String> list=new LinkedList<>();
// 疯狂添加常量到list
int i=1;
while (true) {
list.add(String.valueOf(i++).intern());
}
}
}
运行结果:
代码分析:
参数：-Xms10m -Xmx10m 固定堆的大小为10MB，-XX:-UseGCOverheadLimit是关闭GC占用时间
过长时会报的异常。
因为jdk6以前，运行时常量池是在方法区（永生代）中的，所以要限制永生代的容量，让内存溢出来的更快。
从jdk7开始，运行时常量池是在堆中的，那么固定堆的容量就好了。这里用了链表去保存常量的引用，
是因为防止被fullgc清理，因为Full gc会清理掉方法区和老年代intern()方法是将常量添加到常量池中去，
这样运行时常量池一直都在增长，然后内存溢出。
4、方法区溢出
方法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修改时符、字段描述、方法描述等。
对这些区域的测试，基本的思想是运行时产生大量的类去填满方法区、直到内存溢出。
这里使用Cglib创建大量的代理类。
代码:
package com.lanhuigu.spring.proxy;
import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;
import java.lang.reflect.Method;
/**
* VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=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() {
@Override
public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
return proxy.invokeSuper(obj, args);
}
});
enhancer.create();
}
}
static class OOMObject {
}
}
关于java7之前，java7和java8方法区与堆的说明：
java7之前:
方法区位于永久代(PermGen)，永久代和堆相互隔离，永久代的大小在启动JVM时可以设置一个固定值，不可变；
java7中:
存储在永久代的部分数据就已经转移到Java Heap或者Native memory。
但永久代仍存在于JDK 1.7中，并没有完全移除，譬如符号引用(Symbols)转移到了native memory；
字符串常量池(interned strings)转移到了Java heap；
类的静态变量(class statics)转移到了Java heap。
java8中：
取消永久代，方法存放于元空间(Metaspace)，元空间仍然与堆不相连，但与堆共享物理内存，
逻辑上可认为在堆中 。
Native memory：
本地内存，也称为C-Heap，是供JVM自身进程使用的。当Java Heap空间不足时会触发GC，
但Native memory空间不够却不会触发GC。
5、本机直接内存溢出
DirectMemory容量可以通过XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java
堆最大(-Xmx指定)值一样。
代码:
package com.lanhuigu.jvm.oom;
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
/**
* 本机直接内存溢出，该类执行完ide都崩掉了，小心！！！
* VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
*/
public class DirectMemoryOOM {
private static final int _1MB = 1024 * 1024;
public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException {
Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
unsafeField.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
while (true) {
unsafe.allocateMemory(_1MB);
}
}
}
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