10种常见OOM分析——手把手教你写bug

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在《Java虚拟机规范》的规定里，除了程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都有发生 OutOfMemoryError 异常的可能。

本篇主要包括如下 OOM 的介绍和示例：

java.lang.StackOverflowError
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded
java.lang.OutOfMemoryError-->Metaspace
java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace
java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
java.lang.OutOfMemoryError: Out of swap space
java.lang.OutOfMemoryError：Kill process or sacrifice child

我们常说的 OOM 异常，其实是 Error

一. StackOverflowError

1.1 写个 bug

public class StackOverflowErrorDemo {

    public static void main(String[] args) {
        javaKeeper();
    }

    private static void javaKeeper() {
        javaKeeper();
    }
}
复制代码

上一篇详细的介绍过JVM 运行时数据区，JVM 虚拟机栈是有深度的，在执行方法的时候会伴随着入栈和出栈，上边的方法可以看到，main 方法执行后不停的递归，迟早把栈撑爆了

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at oom.StackOverflowErrorDemo.javaKeeper(StackOverflowErrorDemo.java:15)
复制代码

1.2 原因分析

无限递归循环调用（最常见原因），要时刻注意代码中是否有了循环调用方法而无法退出的情况
执行了大量方法，导致线程栈空间耗尽
方法内声明了海量的局部变量
native 代码有栈上分配的逻辑，并且要求的内存还不小，比如 java.net.SocketInputStream.read0 会在栈上要求分配一个 64KB 的缓存（64位 Linux）

1.3 解决方案

修复引发无限递归调用的异常代码，通过程序抛出的异常堆栈，找出不断重复的代码行，按图索骥，修复无限递归 Bug
排查是否存在类之间的循环依赖（当两个对象相互引用，在调用toString方法时也会产生这个异常）
通过 JVM 启动参数 -Xss 增加线程栈内存空间，某些正常使用场景需要执行大量方法或包含大量局部变量，这时可以适当地提高线程栈空间限制

二. Java heap space

Java 堆用于存储对象实例，我们只要不断的创建对象，并且保证 GC Roots 到对象之间有可达路径来避免 GC 清除这些对象，那随着对象数量的增加，总容量触及堆的最大容量限制后就会产生内存溢出异常。

Java 堆内存的 OOM 异常是实际应用中最常见的内存溢出异常。

2.1 写个 bug

/**
 * JVM参数：-Xmx12m
 */
public class JavaHeapSpaceDemo {

    static final int SIZE = 2 * 1024 * 1024;

    public static void main(String[] a) {
        int[] i = new int[SIZE];
    }
}
复制代码

代码试图分配容量为 2M 的 int 数组，如果指定启动参数 -Xmx12m，分配内存就不够用，就类似于将 XXXL 号的对象，往 S 号的 Java heap space 里面塞。

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at oom.JavaHeapSpaceDemo.main(JavaHeapSpaceDemo.java:13)
复制代码

2.2 原因分析

请求创建一个超大对象，通常是一个大数组
超出预期的访问量/数据量，通常是上游系统请求流量飙升，常见于各类促销/秒杀活动，可以结合业务流量指标排查是否有尖状峰值
过度使用终结器（Finalizer），该对象没有立即被 GC
内存泄漏（Memory Leak），大量对象引用没有释放，JVM 无法对其自动回收，常见于使用了 File 等资源没有回收

2.3 解决方案

针对大部分情况，通常只需要通过 -Xmx 参数调高 JVM 堆内存空间即可。如果仍然没有解决，可以参考以下情况做进一步处理：

如果是超大对象，可以检查其合理性，比如是否一次性查询了数据库全部结果，而没有做结果数限制
如果是业务峰值压力，可以考虑添加机器资源，或者做限流降级。
如果是内存泄漏，需要找到持有的对象，修改代码设计，比如关闭没有释放的连接

面试官：说说内存泄露和内存溢出

加送个知识点，三连的终将成为大神~~

内存泄露和内存溢出

内存溢出(out of memory)，是指程序在申请内存时，没有足够的内存空间供其使用，出现out of memory；比如申请了一个 Integer，但给它存了 Long 才能存下的数，那就是内存溢出。

内存泄露( memory leak)，是指程序在申请内存后，无法释放已申请的内存空间，一次内存泄露危害可以忽略，但内存泄露堆积后果很严重，无论多少内存，迟早会被占光。

memory leak 最终会导致 out of memory！

三、GC overhead limit exceeded

JVM 内置了垃圾回收机制GC，所以作为 Javaer 的我们不需要手工编写代码来进行内存分配和释放，但是当 Java 进程花费 98% 以上的时间执行 GC，但只恢复了不到 2% 的内存，且该动作连续重复了 5 次，就会抛出 java.lang.OutOfMemoryError:GC overhead limit exceeded 错误（俗称：垃圾回收上头）。简单地说，就是应用程序已经基本耗尽了所有可用内存， GC 也无法回收。

假如不抛出 GC overhead limit exceeded 错误，那 GC 清理的那么一丢丢内存很快就会被再次填满，迫使 GC 再次执行，这样恶性循环，CPU 使用率 100%，而 GC 没什么效果。

3.1 写个 bug

出现这个错误的实例，其实我们写个无限循环，往 List 或 Map 加数据就会一直 Full GC，直到扛不住，这里用一个不容易发现的栗子。我们往 map 中添加 1000 个元素。

/**
 * JVM 参数： -Xmx14m -XX:+PrintGCDetails
 */
public class KeylessEntry {

    static class Key {
        Integer id;

        Key(Integer id) {
            this.id = id;
        }

        @Override
        public int hashCode() {
            return id.hashCode();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Map m = new HashMap();
        while (true){
            for (int i = 0; i < 1000; i++){
                if (!m.containsKey(new Key(i))){
                    m.put(new Key(i), "Number:" + i);
                }
            }
            System.out.println("m.size()=" + m.size());
        }
    }
}
复制代码

...
m.size()=54000
m.size()=55000
m.size()=56000
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded
复制代码

从输出结果可以看到，我们的限制 1000 条数据没有起作用，map 容量远超过了 1000，而且最后也出现了我们想要的错误，这是因为类 Key 只重写了 hashCode() 方法，却没有重写 equals() 方法，我们在使用 containsKey() 方法其实就出现了问题，于是就会一直往 HashMap 中添加 Key，直至 GC 都清理不掉。

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