jvm OOM异常的模拟

朱雀 2023-03-01 09:30 213阅读 0赞

# OutOfMemoryError异常 #

在JVM内存区域中，除了程序计数器外，其他内存区域都有可能发生OOM异常，下面我们来一一模拟每个内存区域OOM异常的场景。

先介绍几个JVM参数：

*  \-Xms：设置JVM初始堆内存的大小。
 *  \-Xmx：设置JVM最大堆内存的大小。
 *  \-Xmn: 设置年轻代的大小、
 *  \-Xss：设置每个线程对应的栈的大小。
 *  \-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：发生OOM异常时生成heap dump文件
 *  \-XX:HeapDumpPath=path：heap dump文件生成的路径，例如XX:HeapDumpPath=/var/log/java/java\_heapdump.hprof
 *  \-XX:+PrintGCDetails：打印GC的详细信息。
 *  \-XX:+PrintGCTimeStamps：打印GC的时间戳。
 *  \-XX:MetaspaceSize：设置元空间触发垃圾回收的大小。
 *  \-XX:MaxMetaspaceSize：设置元空间的最大值。

## 堆溢出 ##

堆中存放的是对象和数组，只要不断的创建对象或数组，堆就会溢出。

package com.morris.jvm.oom;
    
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    
    /** * 演示堆的溢出 * VM args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=c:\dump\heap.hprof -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps */
    public class HeapOOM { 
    
        public static void main(String[] args) { 
    
            List<byte[]> list = new ArrayList<>();
    
            while (true) { 
                list.add(new byte[1024 * 1024]); // 每次增加一个1M大小的数组对象
            }
    
        }
    
    }

运行之后就会抛出OOM异常：`java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space`。

堆中还可能出现下面一种OOM异常：

package com.morris.jvm.oom;
    
    import java.util.LinkedList;
    import java.util.List;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    /** * VM args: -Xms30m -Xmx30m -XX:PrintGCDetails */
    public class HeapOOM2 { 
    
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            List<Object> list = new LinkedList<>();
            int i = 0;
            while (true) { 
                i++;
                if (0 == i % 1000) { 
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
                }
                list.add(new Object());
            }
        }
    
    }

运行之后就会抛出OOM异常：`java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded`。JVM花费了98%的时间进行垃圾回收，而只得到2%可用的内存，频繁的进行内存回收，JVM就会曝出`java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded`错误。

## 虚拟机栈溢出 ##

虚拟机栈这个区域会出现两种异常状况：

1.  线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常。
2.  当虚拟机栈扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常（无法重现）。

package com.morris.jvm.oom;
    
    /** * 演示栈的溢出 * VM args：-Xss1m */
    public class StackSOE { 
    
    	private static int index = 1;
    
    	private static void test() { 
    		index++;
    		test();
    	}
    	
    	public static void main(String[] args) { 
    		try { 
    			test();
    		}catch (Throwable e){ 
    			System.out.println("Stack deep : "+index);
    			e.printStackTrace();
    		}
    	}
    
    }

运行之后就会抛出OOM异常：`java.lang.StackOverflowError`。

虚拟机参数-Xss在64位机器上默认的大小为1m，栈越大，能够容纳的栈帧就会越多，方法调用的深度就会越深。

## 方法区溢出 ##

方法区中存放的是类的数据结构，只要不断往方法区中加入新的类，就会产生方法区的溢出，可以使用类加载器不断加载类或者动态代理不断生成类来演示。

我这里使用的是JDK8，方法区的具体实现为元空间，也就是说下面的代码演示的是元空间的溢出。

package com.morris.jvm.oom;
    
    import java.lang.reflect.InvocationHandler;
    import java.lang.reflect.Method;
    import java.lang.reflect.Proxy;
    import java.net.URL;
    import java.net.URLClassLoader;
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    
    /** * 演示元空间的溢出 * VM args：-XX:MetaspaceSize=16m -XX:MaxMetaspaceSize=16m */
    public class MetaSpaceOOM { 
    
        public static void main(String[] args) { 
    
            List<ClassLoader> classLoaderList = new ArrayList<>();
            while (true) { 
                ClassLoader loader = new URLClassLoader(new URL[]{ });
                Facade t = (Facade) Proxy.newProxyInstance(loader, new Class<?>[]{ Facade.class}, new MetaspaceFacadeInvocationHandler(new FacadeImpl()));
                classLoaderList.add(loader);
            }
        }
    
        public interface Facade { 
        }
    
        public static class FacadeImpl implements Facade { 
        }
    
        public static class MetaspaceFacadeInvocationHandler implements InvocationHandler { 
            private Object impl;
    
            public MetaspaceFacadeInvocationHandler(Object impl) { 
                this.impl = impl;
            }
    
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable { 
                return method.invoke(impl, args);
            }
        }
    }

运行之后就会抛出OOM异常：`java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace`。

## 直接内存溢出 ##

严格来说，上面的元空间也是属于直接内存（堆外内存）的。但是我们这里的直接内存指的是Java应用程序通过直接方式从操作系统中申请的内存。

直接内存的容量可以通过-XX:MaxDirectMemorySize来设置（默认与堆内存最大值一样），与元空间是分开来管理的。

package com.morris.jvm.oom;
    
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.util.LinkedList;
    import java.util.List;
    
    /** * 演示直接内存的溢出 * VM args:-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M */
    public class DirectMemoryOOM { 
    	
    	public static void main(String[] args) throws IllegalArgumentException, IllegalAccessException { 
    		List<ByteBuffer> list = new LinkedList<>();
    		while (true) { 
    			ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 1024);
    			list.add(byteBuffer);
    		}
    
    	}
    }

运行之后就会抛出OOM异常：`java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory`。

注意：-XX:MaxDirectMemorySize只能限制通过DirectByteBuffer申请的内存，而其他堆外内存，如使用了Unsafe或者其他JNI手段直接直接申请的内存是无法限制的。

下面的程序会使用Unsafe不停的申请内存，注意谨慎运行，会使电脑死机。

package com.morris.jvm.oom;
    
    import sun.misc.Unsafe;
    
    import java.lang.reflect.Field;
    
    /** * 演示本地内存的溢出 * VM args： -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M */
    public class LocalMemoryOOM { 
    
        public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException { 
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
            field.setAccessible(true);
    
            Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
    
            while (true) { 
                unsafe.allocateMemory(1024 * 1024);
            }
        }
    }

上面的代码在我的windows下会抛出`java.lang.OutOfMemoryError`异常，感觉像是通过-XX:MaxDirectMemorySize参数限制住了，但是在linux下运行会导致堆外内存一直增长，直到机器物理内存爆满，被系统oom killer。

说它的内存增长，是通过top命令去观察的，看它的RES列的数值；反之，如果使用jmap命令去看内存占用，得到的只是堆的大小，只能看到一小块可怜的空间。

![在这里插入图片描述][202007231501116.png]

上面的代码运行一段时间后会悄悄的退出，那么怎么定位到原因呢？

$ dmesg -T
    ......
    [Wed Jul 22 18:03:56 2020] Out of memory: Kill process 25991 (java) score 632 or sacrifice child
    [Wed Jul 22 18:03:56 2020] Killed process 25991 (java) total-vm:1345034596kB, anon-rss:3187820kB, file-rss:144kB, shmem-rss:0kB

这个现象，其实和Linux的内存管理有关。由于Linux系统采用的是虚拟内存分配方式，JVM的代码、库、堆和栈的使用都会消耗内存，但是申请出来的内存，只要没真正access过，是不算的，因为没有真正为之分配物理页面。

随着使用内存越用越多。第一层防护墙就是SWAP；当SWAP也用的差不多了，会尝试释放cache；当这两者资源都耗尽，杀手就出现了。oom-killer会在系统内存耗尽的情况下跳出来，选择性的干掉一些进程以求释放一点内存。所以这时候我们的Java进程，是操作系统“主动”终结的，JVM连发表遗言的机会都没有。这个信息，只能在操作系统日志里查找。

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![在这里插入图片描述][20200627175030665.jpg]

[202007231501116.png]: /images/20230209/298234602e174887b5ddd8f716ded940.png
[20200627175030665.jpg]: /images/20230209/d790ce114ff140de944bc8d1d83a5380.png