Java虚拟机OOM解析

[注：本文内容摘选自作者之前的博客]

对于以Java为核心的企业级应用开发，Java虚拟机（JVM）是项目架构的核心。只有深入理解其内存分配和垃圾回收机制，才能在项目建设中得心应手，无论是基于当前流行的微服务架构（如Spring Cloud或Dubbo），还是即将（或已经）流行的服务网格体系。

不多废话，先看一张Java虚拟机的内存体系结构图：

注：本文主要基于Oracle JDK体系进行阐述

此图主要针对Java Lang Out Of Memory Error异常进行了适当调整，因为核心问题和要素可以通过此图展示。本文主要解析OOM异常，若想深入了解Java虚拟机的相关知识，可参考官方文档。

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当我们的应用程序因Java虚拟机内存分配异常时，会抛出java.lang.OutOfMemoryError错误。以下结合实际项目经验，总结了常见的OOM原因及其解决方法，如有遗漏或错误，欢迎补充指正。

1、Java Heap Space

此情况表明当堆内存（Heap Space）没有足够空间存放新创建的对象时，会抛出java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space错误。

原因分析

Java heap space错误的常见原因包括以下几类：

1、请求创建一个超大对象，通常是一个大数组

2、超出预期的访问量/数据量，通常是上游系统请求流量飙升

3、过度使用终结器（Finalizer），该对象没有立即被GC

4、内存泄漏（Memory Leak），大量对象引用没有释放，JVM无法自动回收，常见于使用File等资源未回收

解决方案

针对大多数情况，通常只需通过-Xmx参数增加JVM堆内存空间即可。如果问题仍然存在，可以参考以下情况进行进一步处理：

1、如果是超大对象，检查其合理性，例如是否一次性查询了数据库全部结果，而没有限制结果数量。

2、如果是业务峰值压力，可以考虑增加机器资源或进行限流降级。

3、如果是内存泄漏，需要找到持有的对象，优化代码设计。

2、GC overhead limit exceeded

此情况为JDK1.6新增的错误类型。如果没有此异常，会发生什么？垃圾回收释放的2%可用内存空间会迅速被填满，迫使GC再次执行，导致频繁执行GC操作，服务器会因为频繁的GC操作达到100%的使用率，运行变慢，应用系统会出现卡顿现象，通常几毫秒可完成的操作，现在需要更长时间，甚至几分钟才能完成。

原因分析

1、垃圾回收可用空间较小

2、频繁执行GC操作，使得资源使用率较高

解决方案

1、增加heap堆内存

2、增加内存后错误依旧，获取heap内存快照，使用Eclipse MAT工具，找出内存泄露并进行修复

3、优化代码以使用更少的内存或重用对象，而不是创建新的对象，从而减少垃圾收集器的运行次数。如果代码中在循环中创建了许多临时对象，应该尝试重用它们

4、升级JDK到1.8，至少也是1.7，并使用G1 GC垃圾回收算法

5、优化代码

3、Unable to create new native thread

每个Java线程都需要占用一定的内存空间，当JVM向底层操作系统请求创建一个新的native线程时，如果没有足够的资源分配就会报此类错误。

原因分析

JVM向OS请求创建native线程失败，就会抛出Unable to create new native thread错误，常见原因包括以下几类：

1、线程数超过操作系统最大线程数ulimit限制

2、线程数超过kernel.pid_max（只能重启）

3、native内存不足

解决方案

1、升级配置，为机器提供更多的内存

2、降低Java Heap Space大小

3、修复应用程序的线程泄漏问题

4、限制线程池大小

5、使用-Xss参数减少线程栈的大小

6、调高OS层面的线程最大数：执行ulimit -a查看最大线程数限制，使用ulimit -u xxx调整最大线程数限制

4、Out of swap space？

此错误表示所有可用的虚拟内存已被耗尽。虚拟内存（Virtual Memory）由物理内存（Physical Memory）和交换空间（Swap Space）组成。当程序运行时请求的虚拟内存溢出时，会报Out of swap space错误。

原因分析

此错误出现的常见原因包括以下几类：

1、地址空间不足

2、物理内存已耗光

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3、应用程序的本地内存泄漏（native leak），例如不断申请本地内存却不释放

4、执行jmap -histo:live 命令，强制执行Full GC；如果几次执行后内存明显下降，则基本确认为Direct ByteBuffer问题

解决方案

根据错误原因可以采取如下解决方案：

1、升级地址空间为64 bit

2、使用Arthas检查是否为Inflater/Deflater解压缩问题，如果是，则显式调用end方法

3、Direct ByteBuffer问题可以通过启动参数-XX:MaxDirectMemorySize调低阈值

4、升级服务器配置/隔离部署，避免争用

5、Kill process or sacrifice child

有一种内核作业（Kernel Job）称为Out of Memory Killer，它会在可用内存极低的情况下“杀死”（kill）某些进程。OOM Killer会对所有进程进行评分，然后将评分较低的进程“杀死”，具体的评分规则可以参考Surviving the Linux OOM Killer。

不同于其他的OOM错误，Kill process or sacrifice child错误不是由JVM层面触发的，而是由操作系统层面触发的。

原因分析

1、默认情况下，Linux内核允许进程申请的内存总量大于系统可用内存，通过这种“错峰复用”的方式可以更有效地利用系统资源

2、然而，这种方式也会无可避免地带来一定的“超卖”风险。例如某些进程持续占用系统内存，然后导致其他进程没有可用内存。此时，系统将自动激活OOM Killer，寻找评分低的进程，并将其“杀死”，释放内存资源

解决方案

1、升级服务器配置/隔离部署，避免争用

2、OOM Killer调优

6、Requested array size exceeds VM limit

JVM限制了数组的最大长度，此错误表示程序请求创建的数组超过最大长度限制。JVM在为数组分配内存前，会检查要分配的数据结构在系统中是否可寻址，通常为Integer.MAX_VALUE-2。

此类问题比较罕见，通常需要检查代码，确认业务是否需要创建如此大的数组，是否可以拆分为多个块，分批执行。

7、Direct buffer memory

Java允许应用程序通过Direct ByteBuffer直接访问堆外内存，许多高性能程序通过Direct ByteBuffer结合内存映射文件（Memory Mapped File）实现高速IO。

原因分析

Direct ByteBuffer的默认大小为64 MB，一旦使用超出限制，就会抛出Direct buffer memory错误。

解决方案

1、Java只能通过ByteBuffer.allocateDirect方法使用Direct ByteBuffer，因此，可以通过Arthas等在线诊断工具拦截该方法进行排查

2、检查是否直接或间接使用了NIO，如netty，jetty等

3、通过启动参数-XX:MaxDirectMemorySize调整Direct ByteBuffer的上限值

4、检查JVM参数是否有-XX:+DisableExplicitGC选项，如果有就去掉，因为该参数会使System.gc()失效

5、检查堆外内存使用代码，确认是否存在内存泄漏；或者通过反射调用sun.misc.Cleaner的clean()方法来主动释放被Direct ByteBuffer持有的内存空间

6、内存容量确实不足，升级配置

8、Permgen space

此错误表示永久代（Permanent Generation）已用满，通常是因为加载的class数目太多或体积太大。

原因分析

永久代存储对象主要包括以下几类：

1、加载/缓存到内存中的class定义，包括类的名称，字段，方法和字节码

2、常量池

3、对象数组/类型数组所关联的class

4、JIT编译器优化后的class信息[PermGen的使用量与加载到内存的class的数量/大小正相关]

解决方案

根据Permgen space报错的时机，可以采用不同的解决方案，如下所示：

1、程序启动报错，修改-XX:MaxPermSize启动参数，调大永久代空间

2、应用重新部署时报错，很可能是应用没有重启，导致加载了多份class信息，只需重启JVM即可解决

3、运行时报错，应用程序可能会动态创建大量class，而这些class的生命周期很短暂，但是JVM默认不会卸载class，可以设置-XX:+CMSClassUnloadingEnabled和-XX:+UseConcMarkSweepGC这两个参数允许JVM卸载class

9、Metaspace

原因分析

JDK1.8使用Metaspace替换了永久代（Permanent Generation），此错误表示Metaspace已被用满，通常是因为加载的class数目太多或体积太大。

解决方案

此类问题的原因与解决方法跟Permgen space非常类似，可以参考上文。需要特别注意的是调整Metaspace空间大小的启动参数为-XX:MaxMetaspaceSize。

以上就是Java虚拟机OOM解析的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！