Java 常见内存溢出异常与代码实现

摘要：堆堆是用来存储对象实例的因此如果我们不断地创建对象并且保证和创建的对象之间有可达路径以免对象被垃圾回收那么当创建的对象过多时会导致内存不足进而引发异常上面是一个引发异常的代码我们可以看到它就是通过不断地创建对象并将对象保存在中防止其被

Java 堆是用来存储对象实例的, 因此如果我们不断地创建对象, 并且保证 GC Root 和创建的对象之间有可达路径以免对象被垃圾回收, 那么当创建的对象过多时, 会导致 heap 内存不足, 进而引发 OutOfMemoryError 异常.

/**
 * @author xiongyongshun
 * VM Args: java -Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 */
public class OutOfMemoryErrorTest {
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(i++);
        }
    }
}

上面是一个引发 OutOfMemoryError 异常的代码, 我们可以看到, 它就是通过不断地创建对象, 并将对象保存在 list 中防止其被垃圾回收, 因此当对象过多时, 就会使堆内存溢出.
通过 java -Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 我们设置了堆内存为 10 兆, 并且使用参数 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 让 JVM 在发生 OutOfMemoryError 异常时打印出当前的内存快照以便于后续分析.
编译运行上述代码后, 会有如下输出:

>>> java -Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError com.test.OutOfMemoryErrorTest                                                                                            16-10-02 23:35
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid1810.hprof ...
Heap dump file created [14212861 bytes in 0.125 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
        at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
        at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
        at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261)
        at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
        at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
        at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
        at com.test.OutOfMemoryErrorTest.main(OutOfMemoryErrorTest.java:15)

我们知道, JVM 的运行时数据区中有一个叫做 虚拟机栈 的内存区域, 此区域的作用是: 每个方法在执行时都会创建一个栈帧, 用于存储局部变量表, 操作数栈, 方法出口等信息.
因此我们可以创建一个无限递归的递归调用, 当递归深度过大时, 就会耗尽栈空间, 进而导致了 StackOverflowError 异常.
下面是具体的代码:

/**
 * @author xiongyongshun
 * VM Args: java -Xss64k
 */
public class OutOfMemoryErrorTest {
    public static void main(String[] args) {
        stackOutOfMemoryError(1);
    }

    public static void stackOutOfMemoryError(int depth) {
        depth++;
        stackOutOfMemoryError(depth);
    }
}

当编译运行上述的代码后, 会输出如下异常信息:

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at com.test.OutOfMemoryErrorTest.stackOutOfMemoryError(OutOfMemoryErrorTest.java:27)

注意, 因为 JDK8 已经移除了永久代, 取而代之的是 metaspace, 因此在 JDK8 中, 下面两个例子都不会导致 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 异常.

在 Java 1.6 以及之前的 HotSpot JVM 版本时, 有永久代的概念, 即 GC 的分代收集机制是扩展至方法区的. 在方法区中, 有一部分内存是用于存储常量池, 因此如果代码中常量过多时, 就会耗尽常量池内存, 进而导致内存溢出.
那么如何添加大量的常量到常量池呢? 这时就需要依靠 String.intern() 方法了. String.intern() 方法的作用是: 若此 String 的值在常量池中已存在, 则这个方法返回常量池中对应字符串的引用; 反之将此 String 所包含的值添加到常量池中, 并返回此 String 对象的引用. 在 JDK 1.6 以及之前的版本中, 常量池分配在永久代中, 因此我们可以通过设置参数 "-XX:PermSize" 和 "-XX:MaxPermSize" 来间接限制常量池的大小.

注意, 上面所说的 String.intern() 方法和常量池的内存分布仅仅针对于 JDK 1.6 及之前的版本, 在 JDK 1.7 或以上的版本中, 由于去除了永久代的概念, 因此内存布局稍有不同.

下面是实现常量池内存溢出的代码例子:

/**
 * @author xiongyongshun
 * VM Args:  -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M 
 */
public class RuntimeConstantPoolOOMTest {
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

我们看到, 这个例子中, 正是使用了 String.intern() 方法, 向常量池中添加了大量的字符串常量, 因而导致了常量池的内存溢出.
我们通过 JDK1.6 编译并运行上面的代码, 会有如下输出:

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
        at java.lang.String.intern(Native Method)
        at com.test.RuntimeConstantPoolOOMTest.main(RuntimeConstantPoolOOMTest.java:16)

需要注意的是, 如果通过 JDK1.8 来编译运行上面代码的话, 会有如下警告, 并且不会产生任何的异常:

>>> java -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M com.test.RuntimeConstantPoolOOMTest                                                                                                  16-10-03 0:23
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10M; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10M; support was removed in 8.0

方法区作用是存放 Class 的相关信息, 例如类名, 类访问修饰符, 字段描述, 方法描述等. 因此如果方法区过小, 而加载的类过多, 就会造成方法区的内存溢出.

//VM Args:  -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
public class MethodAreaOOMTest {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(MethodAreaOOMTest.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                    return methodProxy.invokeSuper(o, objects);
                }
            });

            enhancer.create();
        }
    }
}

上面的代码中, 我们借助 CGlib 来动态地生成大量的类, 在 JDK6 下, 运行上面的代码会产生 OutOfMemoryError: PermGen space 异常:

/System/Library/Frameworks/JavaVM.framework/Versions/1.6/Home/bin/java -jar -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M target/Test-1.0-SNAPSHOT.jar

输出结果如下:

Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
        at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
        at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(ClassLoader.java:637)
        at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:621)
        ... 11 more

在 方法区的内存溢出 内存溢出一节中, 我们提到, JDK8 没有了永久代的概念, 因此那两个例子在 JDK8 下没有实现预期的效果. 那么在 JDK8 下, 是否有类似方法区内存溢出之类的错误呢? 当然有的. 在 JDK8 中, 使用了 MetaSpace 的区域来存放 Class 的相关信息, 因此当 MetaSpace 内存空间不足时, 会抛出 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace 异常.

我们还是以上面提到的例子为例:

//VM Args: -XX:MaxMetaspaceSize=10M
public class MethodAreaOOMTest {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(MethodAreaOOMTest.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                    return methodProxy.invokeSuper(o, objects);
                }
            });

            enhancer.create();
        }
    }
}

此例子的代码部分没有改动, 唯一的区别是我们需要使用 JDK8 来运行这段代码, 并且设着参数 -XX:MaxMetaspaceSize=10M, 这个参数告诉 JVM Metaspace 的最大大小是 10M.
接着我们使用 JDK8 来编译运行这个例子, 输出如下异常:

>>> java -jar -XX:MaxMetaspaceSize=10M target/Test-1.0-SNAPSHOT.jar
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
    at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:345)
    at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492)
    at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:114)
    at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:291)
    at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480)
    at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:305)
    at com.test.MethodAreaOOMTest.main(MethodAreaOOMTest.java:22)