深入理解Java虚拟机—OutOfMemoryError异常

在虚拟机规范中，除了程序计数器外，虚拟机内存的其他运行时区域都有发生
OutOfMemoryError异常的可能

内存泄露：成功申请内存后，无法释放已申请的内存空间，出现内存泄露
内存溢出：在申请内存时，没有足够的内存空间供其使用，出现内存溢出
内存泄露过多会导致内存溢出

1.Java堆溢出

Java堆用来存储对象实例，因此只要不断地创建对象
并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免创建的对象被回收
那么就会在对象数量达到最大堆的容量限制后产生内存溢出
书中的例子如下：

/*
VM options：
-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-Xms20m 设置堆的最小值为20M
-Xmx20m 设置堆的最大值为20M
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 溢出时Dump出当前的内存堆转存储快照
*/
public class HeapOOM {
    static class OOMObject{}

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

运行结果如下：

2.虚拟机栈和本地方法栈溢出

HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈
对于Java中的栈可能发生的异常为：
StackOverflowError和OutOfMemoryError
StackOverflowError
如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出该异常
书上给出了两种方法来实现StackOverflowError异常：

1. 使用Xss参数减少内存容量
2. 定义大量的本地变量，增加此方法帧中本地变量表的长度

这里实现的是第一种方法：
-Xss减少栈内存容量，然后不断调用函数
导致其出现Java栈溢出异常

/*
VM options:-Xss128K
-Xss128K 设置栈的内存为128K
*/
public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak(){
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try{
            oom.stackLeak();
        }catch (Throwable e){
            System.out.println("Stack Length:"+oom.stackLength);
            throw  e;
        }
    }
}

运行结果如下：

OutOfMemoryError
如果虚拟机在扩展栈时，无法申请足够的内存空间，则抛出该异常
若想实现该异常，可以通过不断地建立线程的方式来产生内存溢出异常
在这种情况下，给每个线程的栈分配的内存越大，越容易产生内存溢出异常

3.运行时常量池溢出

如果要向运行时常量池中添加内容，最简单的做法就是使用String.intern()这个Native方法
然后再通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小
从而间接限制常量池中的容量，并进一步导致其内存溢出

public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true){
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

运行后发现没有办法抛出
Exception in thread "main"
java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space

因为书上的示例代码使用的是JDK1.6Update 22 中带的虚拟机
而本人使用的是JDK1.8的虚拟机，版本不同导致了实验的结果失败
其原因如下：
JDK 1.8将字符串常量由永久代转移到堆中
并且JDK1.8中已经不存在永久代，永久代已被元空间(Metaspace)所取代
也就是说PermSize和MaxPermGen参数已经无效
故上述示例代码不起作用，因为常量已经转移到堆中，而堆的内存比较大，上述代码的这种方法不能快速消耗掉堆的内存
所以，尝试以2的指数级不断的生成新的字符串，这样可以快速的消耗堆内存

public class RuntimeConstantPoolOOM {
    static String base = "string";
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for(int i=0;i<Integer.MAX_VALUE;i++){
            String str = base + base;
            base = str;
            list.add(str.intern());
        }
    }
}

运行结果如下：

成功出现溢出，但是它是堆内存溢出
可见运行时常量池确实已经被转移到堆中

4.方法区溢出

如上所说，永久代已被取消了，那么方法区是否还存在呢？
方法区是JVM规范，只要规范没有改变，它就一直存在
只是方法区的实现方式发生了改变，由永久代改为了元空间

方法区用于存放Class的相关信息
若是想要方法区溢出，基本思路就是运行时产生大量的类去填满方法区

书中作者借助CGLib直接操作字节码运行时，产生了大量的动态类

/*
需要导入cglib和asm这两个jar包
但cglib版本为3.0以上，org.objectweb.asm版本为3.1.0时，版本冲突
因此导入的jar包为：asm-3.3.1.jar和cglib-2.2.jar
*/
//  VM options -XX:MaxMetaspaceSize=10M 
//  MaxMetaspaceSize 设置元空间大小
import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

import java.lang.reflect.Method;

public class JavaMethodAreaOOM {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            while (true) {
                Enhancer enhancer = new Enhancer();
                enhancer.setSuperclass(OOMObject.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();
            }
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println(e.toString());
            throw e;
        }
    }
    static class OOMObject{}
}

运行结果如下：

实验表明，确实发生了溢出，而且是在元空间发生了溢出
查阅资料得知：
元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存
默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过参数来指定元空间的大小

除此之外，元空间的存储内容也与永久代不同
元空间存储类的元信息，静态变量和常量池等并入堆中
相当于永久代的数据被分到了堆和元空间中。

最后，总结一下永久代、元空间以及常量池在各代HotSpot的实现情况：

以上内容均摘自于周志明—《深入理解Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践》