Java中的OutOfMemoryError的各種情況及解決和JVM記憶體結構

在JVM中記憶體一共有3種：Heap（堆記憶體），Non-Heap（非堆記憶體） [3]和Native（本地記憶體）， [1]

堆記憶體是運行時分配所有類實體和陣列的一塊記憶體區域，非堆記憶體包含方法區和JVM內部處理或優化所需的記憶體，存放有類結構（如運行時常量池、欄位及方法結構，以及方法和建構式代碼），本地記憶體是由作業系統管理的虛擬記憶體，當一個應用記憶體不足時就會拋出java.lang.OutOfMemoryError 例外， [1]

OutOfMemoryError在開發程序中是司空見慣的，遇到這個錯誤，新手程式員都知道從兩個方面入手來解決：一是排查程式是否有BUG導致記憶體泄漏；二是調整JVM啟動引數增大記憶體，OutOfMemoryError有好幾種情況，每次遇到這個錯誤時，觀察OutOfMemoryError后面的提示資訊，就可以發現不同之處，如：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

雖然都叫OutOfMemoryError，但每種錯誤背后的成因是不一樣的，解決方法也要視情況而定，不能一概而論，只有深入了解JVM的記憶體結構并仔細分析錯誤資訊，才有可能做到對癥下藥，手到病除，

JVM規范

JVM規范對Java運行時的記憶體劃定了幾塊區域（詳見這里），有：JVM堆疊（Java Virtual Machine Stacks）、堆（Heap）、方法區（Method Area）、常量池（Runtime Constant Pool）、本地方法堆疊（Native Method Stacks），但對各塊區域的記憶體布局和地址空間卻沒有明確規定，而留給各JVM廠商發揮的空間，

HotSpot JVM

Sun自家的HotSpot JVM實作對堆記憶體結構有相對明確的說明，按照HotSpot JVM的實作，堆記憶體分為3個代：Young Generation、Old(Tenured) Generation、Permanent Generation，眾所周知，GC（垃圾收集）就是發生在堆記憶體這三個代上面的，Young用于分配新的Java物件，其又被分為三個部分：Eden Space和兩塊Survivor Space(稱為From和To)，Old用于存放在GC程序中從Young Gen中存活下來的物件，Permanent用于存放JVM加載的class等元資料，詳情參見HotSpot記憶體管理白皮書，堆的布局圖示如下：

根據這些資訊，我們可以推匯出JVM規范的記憶體磁區和HotSpot實作中記憶體區域的對應關系：JVM規范的Heap對應到Young和Old Generation，方法區和常量池對應到Permanent Generation，對于Stack記憶體，HotSpot實作也沒有詳細說明，但HotSpot白皮書上提到，Java執行緒堆疊是用宿主作業系統的堆疊和執行緒模型來表示的，Java方法和native方法共享相同的堆疊，因此，可以認為在HotSpot中，JVM堆疊和本地方法堆疊是一回事，

作業系統

由于一個JVM行程首先是一個作業系統行程，因此會遵循作業系統行程地址空間的規定，32位系統的地址空間為4G，即最多表示4GB的虛擬記憶體，在Linux系統中，高地址的1G空間（即0xC0000000_{0xFFFFFFFF）被系統內核占用，低地址的3G空間（即0×00000000}0xBFFFFFFF）為用戶程式所使用（顯然JVM行程運行在這3G的地址空間中），這3G的地址空間從低到高又分為多個段；Text段用于存放程式二進制代碼；Data段用于存放編譯時已初始化的靜態變數；BSS段用于存放未初始化的靜態變數；Heap即堆，用于動態記憶體分配的資料結構，C語言的malloc函式申請的記憶體即是從此處分配的，Java的new實體化的物件也是自此分配，不同于前面三個段，Heap空間是可變的，其上界由低地址向高地址增長，記憶體映射區，加載的元件位于這個區中；Stack即堆疊空間，執行緒的執行即是占用堆疊記憶體，堆疊空間也是可變的，但它是通過下界從高地址向低地址移動而增長的，詳情參見這里，圖示如下：

JVM本身是由native code所撰寫的，所以JVM行程同樣具有Text/Data/BSS/Heap/MemoryMapping/Stack等記憶體段，而Java語言的Heap應當是建立在作業系統行程的Heap之上的，Java語言的Stack應該也是建立作業系統行程Stack之上的， 綜合HotSpot的記憶體區域和作業系統行程的地址空間，可以大致得到下列圖示：

Java執行緒的記憶體是位于JVM或作業系統的堆疊（Stack）空間中，不同于物件——是位于堆（Heap）中，這是很多新手程式員容易誤解的地方，注意，“Java執行緒的記憶體”這個用詞不是指Java.lang.Thread物件的記憶體，java.lang.Thread物件本身是在Heap中分配的，當呼叫start()方法之后，JVM會創建一個執行單元，最侄訓創建一個作業系統的native thread來執行，而這個執行單元或native thread是使用Stack記憶體空間的，

經過上述鋪墊，可以得知，JVM行程的記憶體大致分為Heap空間和Stack空間兩部分，Heap又分為Young、Old、Permanent三個代，Stack分為Java方法堆疊和native方法堆疊（不做區分），在Stack記憶體區中，可以創建多個執行緒堆疊，每個執行緒堆疊占據Stack區中一小部分記憶體，執行緒堆疊是一個LIFO資料結構，每呼叫一個方法，會在堆疊頂創建一個Frame，方法回傳時，相應的Frame會從堆疊頂移除（通過移動堆疊頂指標），在這每一部分記憶體中，都有可能會出現溢位錯誤，回到開頭的OutOfMemoryError，下面逐個說明錯誤原因和解決方法（每個OutOfMemoryError都有可能是程式BUG導致，因此解決方法不包括對BUG的排查），

OutOfMemoryError

1.java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
原因：Heap記憶體溢位，意味著Young和Old generation的記憶體不夠，
解決：調整java啟動引數 -Xms -Xmx 來增加Heap記憶體，

堆記憶體溢位時，首先判斷當前最大記憶體是多少（引數：-Xmx 或 -XX:MaxHeapSize=），可以通過命令 jinfo -flag MaxHeapSize 查看運行中的JVM的配置，如果該值已經較大則應通過 mat 之類的工具查找問題，或 jmap -histo查找哪個或哪些類占用了比較多的記憶體，引數-verbose:gc(-XX:+PrintGC) -XX:+PrintGCDetails可以列印GC相關的一些資料，如果問題比較難排查也可以通過引數-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError在OOM之前Dump記憶體資料再進行分析，此問題也可以通過histodiff列印多次記憶體histogram之前的差值，有助于查看哪些類過多被實體化，如果過多被實體化的類被定位到后可以通過btrace再跟蹤，
下面代碼可再現該例外：
List<String> list = new ArrayList<String>();
while(true) list.add(new String("Consume more memory!"));

2.java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
原因：Stack空間不足以創建額外的執行緒，要么是創建的執行緒過多，要么是Stack空間確實小了，
解決：由于JVM沒有提供引數設定總的stack空間大小，但可以設定單個執行緒堆疊的大小；而系統的用戶空間一共是3G，除了Text/Data/BSS/MemoryMapping幾個段之外，Heap和Stack空間的總量有限，是此消彼長的，因此遇到這個錯誤，可以通過兩個途徑解決：1.通過-Xss啟動引數減少單個執行緒堆疊大小，這樣便能開更多執行緒（當然不能太小，太小會出現StackOverflowError）；2.通過-Xms -Xmx 兩引數減少Heap大小，將記憶體讓給Stack（前提是保證Heap空間夠用），

在JVM中每啟動一個執行緒都會分配一塊本地記憶體，用于存放執行緒的呼叫堆疊，該空間僅在執行緒結束時釋放，當沒有足夠本地記憶體創建執行緒時就會出現該錯誤，通過以下代碼可以很容易再現該問題： [2]
 while(true){
    new Thread(new Runnable(){
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(60*60*1000);
            } catch(InterruptedException e) { }        
        }    
    }).start();
}

3.java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
原因：Permanent Generation空間不足，不能加載額外的類，
解決：調整-XX:PermSize= -XX:MaxPermSize= 兩個引數來增大PermGen記憶體，一般情況下，這兩個引數不要手動設定，只要設定-Xmx足夠大即可，JVM會自行選擇合適的PermGen大小，

PermGen space即永久代，是非堆記憶體的一個區域，主要存放的資料是類結構及呼叫了intern()的字串，
List<Class<?>> classes = new ArrayList<Class<?>>();
while(true){
    MyClassLoader cl = new MyClassLoader();
    try{
        classes.add(cl.loadClass("Dummy"));
    }catch (ClassNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
類加載的日志可以通過btrace跟蹤類的加載情況：
import com.sun.btrace.annotations.*;
import static com.sun.btrace.BTraceUtils.*;

@BTrace
public class ClassLoaderDefine {

    @SuppressWarnings("rawtypes")
    @OnMethod(clazz = "+java.lang.ClassLoader", method = "defineClass", location = @Location(Kind.RETURN))
    public static void onClassLoaderDefine(@Return Class cl) {
        println("=== java.lang.ClassLoader#defineClass ===");
        println(Strings.strcat("Loaded class: ", Reflective.name(cl)));
        jstack(10);
    }
}
除了btrace也可以打開日志加載的引數來查看加載了哪些類，可以把引數-XX:+TraceClassLoading打開，或使用引數-verbose:class（-XX:+TraceClassLoading, -XX:+TraceClassUnloading），在日志輸出中即可看到哪些類被加載到Java虛擬機中，該引數也可以通過jflag的命令java -jar jflagall.jar -flag +ClassVerbose動態打開-verbose:class，

下面是一個使用了String.intern()的例子： 

List<String> list = new ArrayList<String>(); int i=0; while(true) list.add(("Consume more memory!"+(i++)).intern());

你可以通過以下btrace腳本查找該類呼叫：

import com.sun.btrace.annotations.*; import static com.sun.btrace.BTraceUtils.*; @BTrace public class StringInternTrace { @OnMethod(clazz = "/.*/", method = "/.*/", location = @Location(value = https://www.cnblogs.com/java-bible/p/Kind.CALL, clazz ="java.lang.String", method = "intern")) public static void m(@ProbeClassName String pcm, @ProbeMethodName String probeMethod, @TargetInstance Object instance) { println(strcat(pcm, strcat("#", probeMethod))); println(strcat(">>>> ", str(instance))); } }

4.java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
原因：這個錯誤比較少見（試著new一個長度1億的陣列看看），同樣是由于Heap空間不足，如果需要new一個如此之大的陣列，程式邏輯多半是不合理的，
解決：修改程式邏輯吧，或者也可以通過-Xmx來增大堆記憶體，

詳細資訊表示應用申請的陣列大小已經超過堆大小，如應用程式申請512M大小的陣列，但堆大小只有256M，這里會拋出OutOfMemoryError，因為此時無法突破虛擬機限制分配新的陣列，在大多少情況下是堆記憶體分配的過小，或是應用嘗試分配一個超大的陣列，如應用使用的演算法計算了錯誤的大小，

5.在GC花費了大量時間，卻僅回收了少量記憶體時，也會報出OutOfMemoryError，我只遇到過一兩次，當使用-XX:+UseParallelGC或-XX:+UseConcMarkSweepGC收集器時，在上述情況下會報錯，在HotSpot GC Turning檔案上有說明：
The parallel(concurrent) collector will throw an OutOfMemoryError if too much time is being spent in garbage collection: if more than 98% of the total time is spent in garbage collection and less than 2% of the heap is recovered, an OutOfMemoryError will be thrown.
對這個問題，一是需要進行GC turning，二是需要優化程式邏輯，

6.java.lang.StackOverflowError
原因：這也記憶體溢位錯誤的一種，即執行緒堆疊的溢位，要么是方法呼叫層次過多（比如存在無限遞回呼叫），要么是執行緒堆疊太小，
解決：優化程式設計，減少方法呼叫層次；調整-Xss引數增加執行緒堆疊大小，

7.java.lang.OutOfMemoryError: request bytes for . Out of swap space?

本地記憶體分配失敗，一個應用的Java Native Interface(JNI)代碼、本地庫及Java虛擬機都從本地堆分配記憶體分配空間，當從本地堆分配記憶體失敗時拋出OutOfMemoryError例外，例如：當物理記憶體及交換磁區都用完后，再次嘗試從本地分配記憶體時也會拋出OufOfMemoryError例外，

8. java.lang.OutOfMemoryError: (Native method)

如果例外的詳細資訊是 (Native method) 且一個執行緒堆疊被列印，同時最頂端的楨是本地方法，該例外表明本地方法遇到了一個記憶體分配問題，與前面一種例外相比，他們的差異是記憶體分配失敗是JNI或本地方法發現或是Java虛擬機發現，

9.java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

　　即從Direct Memory分配記憶體失敗，Direct Buffer物件不是分配在堆上，是在Direct Memory分配，且不被GC直接管理的空間（但Direct Buffer的Java物件是歸GC管理的，只要GC回收了它的Java物件，作業系統才會釋放Direct Buffer所申請的空間），通過-XX:MaxDirectMemorySize=可以設定Direct記憶體的大小，

List<ByteBuffer> list = new ArrayList<ByteBuffer>(); while(true) list.add(ByteBuffer.allocateDirect(10000000));

10. java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

JDK6新增錯誤型別，當GC為釋放很小空間占用大量時間時拋出，一般是因為堆太小，導致例外的原因：沒有足夠的記憶體，可以通過引數-XX:-UseGCOverheadLimit關閉這個特性，

11. java.lang.OutOfMemoryError: request <size> bytes for <reason>. Out of swap space?

本地記憶體分配失敗，一個應用的Java Native Interface(JNI)代碼、本地庫及Java虛擬機都從本地堆分配記憶體分配空間，當從本地堆分配記憶體失敗時拋出OutOfMemoryError例外，例如：當物理記憶體及交換磁區都用完后，再次嘗試從本地分配記憶體時也會拋出OufOfMemoryError例外，

12. java.lang.OutOfMemoryError: (Native method)

如果例外的詳細資訊是 (Native method) 且一個執行緒堆疊被列印，同時最頂端的楨是本地方法，該例外表明本地方法遇到了一個記憶體分配問題，與前面一種例外相比，他們的差異是記憶體分配失敗是JNI或本地方法發現或是Java虛擬機發現，

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