前言

Java在內(nèi)存管理方面是要比C/C++更方便的，不需要為每一個對象編寫釋放內(nèi)存的代碼，JVM虛擬機將為我們選擇合適的時間釋放內(nèi)存空間，使得程序不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和溢出的問題

不過，也正是因為Java把內(nèi)存控制的權(quán)利交給了Java虛擬機，一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和溢出方面的問題，如果不了解虛擬機是怎么使用內(nèi)存的，那排查錯誤將會成為一項異常艱難的工作

下面先看看JVM如何管理內(nèi)存的

內(nèi)存管理

根據(jù)Java虛擬機規(guī)范（第3版） 的規(guī)定，Java虛擬機所管理的內(nèi)存將會包括以下幾個運行內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)域：

• 線程隔離數(shù)據(jù)區(qū)：
  • 程序計數(shù)器： 當前線程所執(zhí)行字節(jié)碼的行號指示器
  • 虛擬機棧： 里面的元素叫棧幀，存儲局部變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法出口等，方法被調(diào)用到執(zhí)行完成的過程對應(yīng)一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。
  • 本地方法棧： 和虛擬機棧的區(qū)別在于虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行Java方法，本地方法棧為虛擬機使用到的本地Native方法服務(wù)。
    
• 線程共享數(shù)據(jù)區(qū)：
  • 方法區(qū)： 可以描述為堆的一個邏輯部分，或者說使用永久代來實現(xiàn)方法區(qū)。存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。
  • 堆： 唯一目的就是存放對象的實例，是垃圾回收管理器的主要區(qū)域，分為Eden、From/To Survivor空間。

Java各版本內(nèi)存管理改進

下圖中永久代理解為堆的邏輯區(qū)域，移除永久代的工作從JDK7就已經(jīng)開始了，部分永久代中的數(shù)據(jù)（常量池）在JDK7中就已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了堆中，JDK8中直接去除了永久代，方法區(qū)中的數(shù)據(jù)大部分被移到堆里面，還剩下一些元數(shù)據(jù)被保存在元空間里

內(nèi)存溢出

• 內(nèi)存泄露Memory Leak： 申請的內(nèi)存空間沒有及時釋放，導致后續(xù)程序里這塊內(nèi)容永遠被占用。
• 內(nèi)存溢出Out Of Memory： 要求的內(nèi)存超過了系統(tǒng)所能提供的
  

運行時數(shù)據(jù)區(qū)域的常見異常

在JVM中，除了程序計數(shù)器外，虛擬機內(nèi)存的其他幾個運行時數(shù)據(jù)區(qū)域都有發(fā)生OOM異常的可能。

堆內(nèi)存溢出

不斷的創(chuàng)建對象，并且保證GC Roots到對象之間有可達路徑來避免垃圾回收機制清除這些對象。

public class HeapOOM {
    static class ObjectInHeap{
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<ObjectInHeap> list = new ArrayList();
        while (true) {
            list.add(new ObjectInHeap());
        }
    }
}

棧溢出

單個線程下不斷擴大棧的深度引起棧溢出。

public class StackSOF {
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }
    public static void main(String[] args) {
        StackSOF sof = new StackSOF();
        try {
            sof.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("Stack Length: " + sof.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

循環(huán)的創(chuàng)建線程，達到最大棧容量。

public class StackOOM {
    private void dontStop() {
        while (true) {
        }
    }
    public void stackLeadByThread() {
        while (true) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        StackOOM stackOOM = new StackOOM();
        stackOOM.stackLeadByThread();
    }
}

運行時常量池溢出

不斷的在常量池中新建String，并且保持引用不釋放。

public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用List保持著常量池的引用，避免Full GC回收常量池
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        int i = 0;
        while (true) {
            // intern()方法使String放入常量池
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

方法區(qū)溢出

借助CGLib直接操作字節(jié)碼運行時產(chǎn)生大量的動態(tài)類，最終撐爆內(nèi)存導致方法區(qū)溢出。

public class MethodAreaOOM {
    static class ObjectInMethod {
    }
    public static void main(final String[] args) {
        // 借助CGLib實現(xiàn)
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(ObjectInMethod.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                @Override
                public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                    return methodProxy.invokeSuper(o, objects);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }
}

元空間溢出

助CG Lib運行時產(chǎn)生大量動態(tài)類，唯一的區(qū)別在于運行環(huán)境修改為Java 1.8，設(shè)置-XX:MaxMetaspaceSize參數(shù)，便可以收獲java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace這一報錯

本機直接內(nèi)存溢出

直接申請分配內(nèi)存（實際上并沒有真正向操作系統(tǒng)申請分配內(nèi)存，而是通過計算得知內(nèi)存無法分配，于是拋出異常）

public class DirectMemoryOOM {
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException {
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeField.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
        while (true) {
            unsafe.allocateMemory(_1MB);
        }
    }
}

常見案例

在工作中一般會遇到有以下幾種情況導致內(nèi)存問題

• 傳輸數(shù)據(jù)量過大

因為傳輸數(shù)量過大、或一些極端情況導致代碼中間結(jié)果對象數(shù)據(jù)量過大，過大的數(shù)據(jù)量撐爆內(nèi)存

• 查詢出大量對象

這個多為SQL語句設(shè)置問題，SQL未設(shè)置分頁，用戶一次查詢數(shù)據(jù)量過大、頻繁查詢SQL導致內(nèi)存堆積、或是未作判空處理導致WHERE條件為空查詢出超大數(shù)據(jù)量等

• 接口性能問題導致

這類為外部接口性能較慢，占用內(nèi)存較大，并且短時間內(nèi)高QPS導致的，導致服務(wù)內(nèi)存不足，線程堆積或掛起進而出現(xiàn)FullGC

• 元空間問題

使用了大量的反射代碼，Java字節(jié)碼存取器生成的類不斷生成

問題排查

使用jmap分析內(nèi)存泄漏

1.生成dump文件

jmap -dump:format=b,file=/xx/xx/xx.hprof pid

2.dump文件下載到本地

3.dump文件分析

可以使用MAT，MAT可作為Eclipse插件或一個獨立軟件使用，MAT是一個高性能、具備豐富功能的Java堆內(nèi)存分析工具，主要用來排查內(nèi)存泄漏和內(nèi)存浪費的問題。

使用MAT打開上一部后綴名.hprof的dump文件

• Histogram：直方圖，各個類的實例，包括個數(shù)和大小，可以查看類引用和被引用的路徑。
• Dominator Tree：支配圖，列出所有線程和線程下面的那些對象占用的空間。
• Top Consumers：通過圖形列出消耗內(nèi)存多的實例。
• Leak Suspects：MAT自動分析的內(nèi)存泄漏報表
  

可以用這個工具分析出什么對象什么線程占用內(nèi)存空間較大，對象是被什么引用的，線程內(nèi)有哪些資源占用很高

以運行時常量池溢出為例

打開Histogram類實例表

Objects是類的對象的數(shù)量；Shallow是對象本身占用內(nèi)存大小、不包含其他引用；

Retained是對象自己的Shallow加上直接或間接訪問到對象的Shallow之和，也可以說是GC之后可以回收的內(nèi)存總和

從圖中可以看出運行時常量池溢出的情況，產(chǎn)生了大量的String和char[]實例

在char[]上右鍵可以得到上圖所有char[]對象的被引用路徑，可以看出這些char數(shù)組都是以String的形式存在ArrayList中，并且是由main這個線程運行的

可以看出是main線程中新建了一個數(shù)組，其中存了32w+個長度為6的char數(shù)組組成的String造成的內(nèi)存溢出

關(guān)于MAT的詳細使用可以從MAT官方教程學習更多

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