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