Java JVM：內存溢出（棧溢出，堆溢出，持久代溢出以及 nable to create native thread）

轉載自https://github.com/pzxwhc/MineKnowContainer/issues/25

 

包括：
1. 棧溢出(StackOverflowError)
2. 堆溢出(OutOfMemoryError:java heap space)
3. 永久代溢出(OutOfMemoryError: PermGen space)
4. OutOfMemoryError:unable to create native thread

Java虛擬機規范規定JVM的內存分為了好幾塊，比如堆，棧，程序計數器，方法區等，而Hotspot jvm的實現中，將堆內存分為了兩部：新生代，老年代。在堆內存之外，還有永久代，其中永久代實現了規范中規定的方法區，而內存模型中不同的部分都會出現相應的OOM錯誤，接下來我們就分開來討論一下。

棧溢出(StackOverflowError)

棧溢出拋出StackOverflowError錯誤，出現此種情況是因為方法運行的時候棧的深度超過了虛擬機容許的最大深度所致。出現這種情況，一般情況下是程序錯誤所致的，比如寫了一個死遞歸，就有可能造成此種情況。 下面我們通過一段代碼來模擬一下此種情況的內存溢出。

import java.util.*;    
import java.lang.*;    
public class OOMTest{     
    public void stackOverFlowMethod(){    
        stackOverFlowMethod();    
    }    
    public static void main(String... args){    
        OOMTest oom = new OOMTest();    
        oom.stackOverFlowMethod();    
    }    
}    

運行上面的代碼，會拋出如下的異常：

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError    
        at OOMTest.stackOverFlowMethod(OOMTest.java:6)    

對於棧內存溢出，根據《Java 虛擬機規范》中文版：如果線程請求的棧容量超過棧允許的最大容量的話，Java 虛擬機將拋出一個StackOverflow異常；如果Java虛擬機棧可以動態擴展，並且擴展的動作已經嘗試過，但是無法申請到足夠的內存去完成擴展，或者在新建立線程的時候沒有足夠的內存去創建對應的虛擬機棧，那么Java虛擬機將拋出一個OutOfMemory 異常。

堆溢出(OutOfMemoryError:java heap space)

堆內存溢出的時候，虛擬機會拋出java.lang.OutOfMemoryError:java heap space,出現此種情況的時候，我們需要根據內存溢出的時候產生的dump文件來具體分析（需要增加-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryErrorjvm啟動參數）。出現此種問題的時候有可能是內存泄露，也有可能是內存溢出了。

• 如果內存泄露，我們要找出泄露的對象是怎么被GC ROOT引用起來，然后通過引用鏈來具體分析泄露的原因。
• 如果出現了內存溢出問題，這往往是程序本生需要的內存大於了我們給虛擬機配置的內存，這種情況下，我們可以采用調大-Xmx來解決這種問題。下面我們通過如下的代碼來演示一下此種情況的溢出：

import java.util.*;    
import java.lang.*;    
public class OOMTest{    
        public static void main(String... args){    
                List<byte[]> buffer = new ArrayList<byte[]>();    
                buffer.add(new byte[10*1024*1024]);    
        }    

}    

我們通過如下的命令運行上面的代碼：

java -verbose:gc -Xmn10M -Xms20M -Xmx20M -XX:+PrintGC OOMTest

程序輸出如下的信息：

[GC 1180K->366K(19456K), 0.0037311 secs]    
[Full GC 366K->330K(19456K), 0.0098740 secs]    
[Full GC 330K->292K(19456K), 0.0090244 secs]    
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space    
        at OOMTest.main(OOMTest.java:7)    

從運行結果可以看出，JVM進行了一次Minor gc和兩次的Major gc，從Major gc的輸出可以看出，gc以后old區使用率為134K，而字節數組為10M，加起來大於了old generation的空間，所以拋出了異常，如果調整-Xms21M,-Xmx21M,那么就不會觸發gc操作也不會出現異常了。

通過上面的實驗其實也從側面驗證了一個結論：當對象大於新生代剩余內存的時候，將直接放入老年代，當老年代剩余內存還是無法放下的時候，觸發垃圾收集，收集后還是不能放下就會拋出內存溢出異常了。

持久帶溢出(OutOfMemoryError: PermGen space)

我們知道Hotspot jvm通過持久帶實現了Java虛擬機規范中的方法區，而運行時的常量池就是保存在方法區中的，因此持久帶溢出有可能是運行時常量池溢出，也有可能是方法區中保存的class對象沒有被及時回收掉或者class信息占用的內存超過了我們配置。
當持久帶溢出的時候拋出java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space。可能在如下幾種場景下出現：

1. 使用一些應用服務器的熱部署的時候，我們就會遇到熱部署幾次以后發現內存溢出了，這種情況就是因為每次熱部署的后，原來的class沒有被卸載掉。
2. 如果應用程序本身比較大，涉及的類庫比較多，但是我們分配給持久帶的內存（通過-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize來設置）比較小的時候也可能出現此種問題。
3. 一些第三方框架，比如spring,hibernate都通過字節碼生成技術（比如CGLib）來實現一些增強的功能，這種情況可能需要更大的方法區來存儲動態生成的Class文件。

我們知道Java中字符串常量是放在常量池中的，String.intern()這個方法運行的時候，會檢查常量池中是否存和本字符串相等的對象，如果存在直接返回對常量池中對象的引用，不存在的話，先把此字符串加入常量池，然后再返回字符串的引用。那么我們就可以通過String.intern方法來模擬一下運行時常量區的溢出.下面我們通過如下的代碼來模擬此種情況：

import java.util.*;    
import java.lang.*;    
public class OOMTest{    
        public static void main(String... args){    
                List<String> list = new ArrayList<String>();    
                while(true){    
                        list.add(UUID.randomUUID().toString().intern());    
                }    
        }        
}    

我們通過如下的命令運行上面代碼：
java -verbose:gc -Xmn5M -Xms10M -Xmx10M -XX:MaxPermSize=1M -XX:+PrintGC OOMTest

運行后的輸入如下圖所示:

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space    
        at java.lang.String.intern(Native Method)    
        at OOMTest.main(OOMTest.java:8)   

通過上面的代碼，我們成功模擬了運行時常量池溢出的情況，從輸出中的PermGen space可以看出確實是持久帶發生了溢出，這也驗證了，我們前面說的Hotspot jvm通過持久帶來實現方法區的說法。

OutOfMemoryError:unable to create native thread

最后我們在來看看java.lang.OutOfMemoryError:unable to create natvie thread這種錯誤。 出現這種情況的時候，一般是下面兩種情況導致的：
1. 程序創建的線程數超過了操作系統的限制。對於Linux系統，我們可以通過ulimit -u來查看此限制。
2. 給虛擬機分配的內存過大，導致創建線程的時候需要的native內存太少。

我們都知道操作系統對每個進程的內存是有限制的，我們啟動Jvm,相當於啟動了一個進程，假如我們一個進程占用了4G的內存，那么通過下面的公式計算出來的剩余內存就是建立線程棧的時候可以用的內存。線程棧總可用內存=4G-（-Xmx的值）- （-XX:MaxPermSize的值）- 程序計數器占用的內存
通過上面的公式我們可以看出，-Xmx 和 MaxPermSize的值越大，那么留給線程棧可用的空間就越小，在-Xss參數配置的棧容量不變的情況下，可以創建的線程數也就越小。因此如果是因為這種情況導致的unable to create native thread,那么要么我們增大進程所占用的總內存，或者減少-Xmx或者-Xss來達到創建更多線程的目的。

總結：

1. 棧內存溢出：程序所要求的棧深度過大導致。
2. 堆內存溢出： 分清 內存泄露還是 內存容量不足。泄露則看對象如何被 GC Root 引用。不足則通過 調大 -Xms，-Xmx參數。
3. 持久帶內存溢出：Class對象未被釋放，Class對象占用信息過多，有過多的Class對象。
4. 無法創建本地線程：總容量不變，堆內存，非堆內存設置過大，會導致能給線程的內存不足。