深入解析发生 OOM 的三大场景

在Java应用程序开发中，OutOfMemoryError（OOM）是一个令人头痛的问题。当JVM中的内存无法满足应用程序的需求时，就会抛出这个错误。本文将深入探讨OOM的三大场景：堆内存溢出、方法区内存溢出和栈内存溢出，并分析它们的原因，提供相应的实战解决方案。

什么是 OOM？

OOM 的全称是 Out Of Memory，那我们的内存区域有哪些会发生 OOM 呢？我们可以从内存区域划分图上，看一下彩色部分

可以看到除了程序计数器，其他区域都有OOM溢出的可能。但是最常见的还是发生在堆内存溢出、方法区内存溢出和栈内存溢出，主要是在堆上。

另外，我们常说的 OOM 异常，其实是 Error

一、堆内存溢出 ( Heap OOM )

Java 堆用于存储对象实例，我们只要不断的创建对象，并且保证 GC Roots 到对象之间有可达路径来避免 GC 清除这些对象，那随着对象数量的增加，总容量触及堆的最大容量限制后就会产生内存溢出异常。

Java 堆内存的 OOM 异常是实际应用中最常见的内存溢出异常。

/**
 * JVM参数：-Xmx10m
 */
public class JavaHeapSpaceDemo {
 
    static final int SIZE = 100 * 1024 * 1024;
 
    public static void main(String[] a) {
        int[] i = new int[SIZE];
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

代码试图分配容量为 100M 的 int 数组，如果指定启动参数 -Xmx10m，分配内存就不够用，就类似于将 XXXL 号的对象，往 S 号的 Java heap space 里面塞。

原因分析

1. 对象过多：应用程序创建了大量的对象，并且这些对象长时间存活，导致堆内存不足。
2. 内存泄漏：应用程序中存在内存泄漏，即长时间无法释放不再使用的对象，导致堆内存持续占用。
3. 超出预期的访问量/数据量：通常是上游系统请求流量飙升，常见于各类促销/秒杀活动，可以结合业务流量指标排查是否有尖状峰值

解决方案

针对大部分情况，通常只需要通过 -Xmx 参数调高 JVM 堆内存空间即可。如果仍然没有解决，可以参考以下情况做进一步处理：

1. 优化代码：减少不必要的对象创建，避免过大的集合和数组。
2. 如果是内存泄漏，需要找到持有的对象，修改代码设计，比如关闭没有释放的连接
3. 如果是业务峰值压力，可以考虑添加机器资源，或者做限流降级。

二、栈内存溢出（Stack OOM）

栈内存溢出通常与线程的执行和递归调用有关。

public class StackOverflowErrorDemo {
 
    public static void main(String[] args) {
        javaKeeper();
    }
 
    private static void javaKeeper() {
        javaKeeper();
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

原因分析

1. 递归调用过深（最常见原因）：递归算法实现不当，导致递归深度过大，超出了线程栈的大小限制。
2. 线程创建过多：应用程序创建了大量的线程，并且每个线程的栈内存分配过多，导致系统资源耗尽。

解决方案

1. 修复引发无限递归调用的异常代码， 通过程序抛出的异常堆栈，找出不断重复的代码行，按图索骥，修复无限递归 Bug

2. 排查是否存在类之间的循环依赖

3. 通过 JVM 启动参数 -Xss 增加线程栈内存空间， 某些正常使用场景需要执行大量方法或包含大量局部变量，这时可以适当地提高线程栈空间限制

三、方法区内存溢出（Metaspace OOM）

方法区内存溢出通常与类的加载和元数据的存储有关。

JDK 1.8 之前会出现 Permgen space，该错误表示永久代（Permanent Generation）已用满，通常是因为加载的 class 数目太多或体积太大。随着 1.8 中永久代的取消，就不会出现这种异常了。

Metaspace 是方法区在 HotSpot 中的实现，它与永久代最大的区别在于，元空间并不在虚拟机内存中而是使用本地内存，但是本地内存也有打满的时候，所以也会有异常。

/**
 * JVM Options: -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
 */
public class MetaspaceOOMDemo {
 
    public static void main(String[] args) {
 
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(MetaspaceOOMDemo.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (o, method, objects, methodProxy) -> {
                //动态代理创建对象
                return methodProxy.invokeSuper(o, objects);
            });
            enhancer.create();
        }
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

借助 Spring 的 GCLib 实现动态创建对象

Exception in thread "main" org.springframework.cglib.core.CodeGenerationException: java.lang.OutOfMemoryError-->Metaspace
1

方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常，在经常运行时生成大量动态类的应用场景中，就应该特别关注这些类的回收情况。这类场景除了上边的 GCLib 字节码增强和动态语言外，常见的还有，大量 JSP 或动态产生 JSP 文件的应用（远古时代的传统软件行业可能会有）、基于 OSGi 的应用（即使同一个类文件，被不同的加载器加载也会视为不同的类）等。

原因分析

1. 加载过多的类：每个类在加载到JVM时都会占用一定的方法区空间。如果程序加载了大量的类，那么方法区可能会被占满，导致OOM。
2. 类加载器泄漏：如果类加载器没有正确地释放已经加载的类，那么这些类将一直占用方法区空间，导致方法区溢出。
3. 动态生成类：在使用诸如JSP、反射或ASM等技术动态生成类时，如果生成过多的类或频繁地生成和卸载类，可能会导致方法区溢出

解决方案

• 限制方法区大小：通过-XX:MaxMetaspaceSize参数设置方法区的最大值，避免无限制增长。这需要根据应用程序的实际情况进行调整。
• 检查类加载器实现：确保自定义的类加载器正确实现了资源的释放，避免类加载器泄露。同时，注意检查和升级可能导致泄露的第三方库。
• 优化类加载策略：按需加载和卸载类，避免不必要的类加载。可以考虑使用模块化技术（如OSGi）来管理类的加载和卸载。