JVM理论：（一/2）OutOfMemoryError异常

　　在Java虚拟机规范的描述中，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(下文称OOM )异常的可能。

1、Java堆溢出

　　Java堆用于存储对象实例，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垃圾回收机制清除这些对象,那么在对象数量到达最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。

　　限制Java堆的大小为20MB，不可扩展（将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为一样），通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析。

/**
 * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * @author zzm
 */
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：
java.lang.OutOfMemoryError :Java heap space
Dumping heap to java_pid3404.hprof.
Heap dump file created[22045981 bytes in 0.663 secs]

　　可以通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对Dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必要的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏还是内存溢出。

　　如果是内存泄露，可进一步通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄露对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。

　　如果不存在泄露，换句话说，就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虛拟机的堆参数（-Xmx与-Xms），与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。

2、虚拟机栈和本地方法栈溢出

　　在HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，栈容量只由-Xss参数设定。

　　如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将拋出StackOverflowError异常。模拟：使用-Xss参数减少栈内存容量。或定义了大量的本地变量，增大此方法帧中本地变量表的长度。

/**
 * VM Args：-Xss2M （这时候不妨设大些）
 * @author zzm
 */
public class JavaVMStackOOM {

       private void dontStop() {
              while (true) {
              }
       }

       public void stackLeakByThread() {
              while (true) {
                     Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                            @Override
                            public void run() {
                                   dontStop();
                            }
                     });
                     thread.start();
              }
       }

       public static void main(String[] args) throws Throwable {
              JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
              oom.stackLeakByThread();
       }
}

运行结果：
Exception in thread"main"java.lang.OutOfMemoryError :unable to create new native thread

　　如果测试时不限于单线程，通过不断地建立线程的方式倒是可以产生内存溢出异常，但是这样产生的内存溢出异常与栈空间是否足够大并不存在任何联系,或者准确地说，在这种情况下，为每个线程的栈分配的内存越大，反而越容易产生内存溢出异常。

　　操作系统分配给每个进程的内存是有限制的，虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区的这两部分内存的最大值。剩余的内存 = 操作系统限制 - Xmx （最大堆容量）- MaxPermSize（最大方法区容量），程序计数器消耗内存很小，可以忽略掉。如果虚拟机进程本身耗费的内存不计算在内，剩下的内存就由虚拟机栈和本地方法栈“瓜分” 了。每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数量自然就越少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。

　　如果是建立过多线程导致的内存溢出，在不能减少线程数或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。

3、方法区和运行时常量池溢出

　　String.intern() 是一个Native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此String对象的引用。

　　运行时常量池是方法区的一部分，在JDK1.6及之前的版本中，由于常量池分配在永久代内，我们可以通过-XX : PermSize和-XX : MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量。JDK1.7开始逐步“去永久代”，有所改变。

/**
 * VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author zzm
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {

    public static void main(String[] args) {
        // 使用List保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        // 10MB的PermSize在integer范围内足够产生OOM了
        int i = 0; 
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

运行结果:
Exception in thread"main"java.lang.OutOfMemoryError :PermGen space
at java.lang.String, intern (Native Method )
at org.fenixsoft.oom.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:18)

　　从运行结果中可以看到，运行时常量池溢出,在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是“PermGen space” ，说明JDK1.6运行时常量池属于方法区（HotSpot虚拟机中的永久代）的一部分。而使用JDK 1.7运行这段程序就不会得到相同的结果，while循环将一直进行下去。

public class RuntimeConstantPoolOOM {

    public static void main(String[] args) {
        public static void main(String[] args) {
        String str1 = new StringBuilder("中国").append("钓鱼岛").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);

        String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }   }
}

　　这段代码在JDK 1.6中运行，会得到两个false。

　　在JDK 1.6中 ， intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中，返回的也是永久代中这个字符串实例的引用，而由StringBuilder创建的字符串实例在Java堆上，所以必然不是同一个引用，将返回false。

　　而在JDK 1.7中运行，会得到一个true和一 个false。

　　而JDK 1.7的intern()实现不会再复制实例，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，返回的仍是当前实例引用。对str2比较返回false是因为“java”这个字符串在执行StringBuilder.toString()之前已经出现过，字符串常量池中已经有它的引用了，返回的是第一次“java”的实例引用，str2是创建在Java堆上的字符串实例。

4、本机直接内存溢出

　　DirectMemory容量可通过-XX : MaxDirectMemorySize指定，如果不指定,则默认与Java堆最大值(-Xmx指定)一样。

/**
 * VM Args：-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
 * @author zzm
 */
public class DirectMemoryOOM {

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
        unsafeField.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
        while (true) {
            unsafe.allocateMemory(_1MB);
        }
    }
}

运行结果:
Exception in thread"main"java.lang.OutOfMemoryError at sun.misc.Unsafe .allocateMemory (Native Method ) at org. fenixsoft. oom.DMOOM.main (DMOOM.java :20 )

　　unsafe.allocateMemory()真正向操作系统申请分配内存。

　　由DirectMemory导致的内存溢出，一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见明显的异常，如果读者发现OOM之后Dump文件很小，而程序中又直接或间接使用了NIO，那就可以考虑检查一下是不是这方面的原因。