【java虚拟机】几种内存溢出及解决方案

作者：平凡希

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1.JVM Heap（堆）溢出：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

JVM在启动的时候会自动设置JVM Heap的值， 可以利用JVM提供的-Xmn -Xms -Xmx等选项可进行设置。Heap的大小是Young Generation 和Tenured Generaion 之和。在JVM中如果98%的时间是用于GC,且可用的Heap size 不足2%的时候将抛出此异常信息。
解决方法：手动设置JVM Heap（堆）的大小。

Java堆用于储存对象实例。当需要为对象实例分配内存，而堆的内存占用又已经达到-Xmx设置的最大值。将会抛出OutOfMemoryError异常。例子如下：

package com.demo.test;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * VM Args: -Xms5m -Xmx5m
 */
public class HeapOOM {

    public static void main(String[] args) {
        int count = 0;
        List<Object> list = new ArrayList<Object>();
        while(true){
            list.add(new Object());
            System.out.println(++count);
        }
    }

}

然后在运行时设置jvm参数，如下：

-Xmx为5m。其中的一次测试结果为，当count的值累加到360145时，发生如下异常：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2245)
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2219)
    at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:213)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:187)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:411)
    at com.demo.test.HeapOOM.main(HeapOOM.java:12)

修改-Xmx为10m。其中的一次测试结果为，当count的值累加到540217时，发生OutOfMemoryError异常。随着-Xmx参数值的增大，java堆中可以存储的对象也越多。

2.PermGen space溢出： java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

PermGen space的全称是Permanent Generation space，是指内存的永久保存区域。为什么会内存溢出，这是由于这块内存主要是被JVM存放Class和Meta信息的，Class在被Load的时候被放入PermGen space区域，它和存放Instance的Heap区域不同，sun的 GC不会在主程序运行期对PermGen space进行清理，所以如果你的APP会载入很多CLASS的话，就很可能出现PermGen space溢出。一般发生在程序的启动阶段。
解决方法： 通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize设置永久代大小即可。

方法区用于存放java类型的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。在类装载器加载class文件到内存的过程中，虚拟机会提取其中的类型信息，并将这些信息存储到方法区。当需要存储类信息而方法区的内存占用又已经达到-XX:MaxPermSize设置的最大值，将会抛出OutOfMemoryError异常。对于这种情况的测试，基本的思路是运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。这里需要借助CGLib直接操作字节码运行时，生成了大量的动态类。例子如下：

package com.demo.test;

import java.lang.reflect.Method;

import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;

/**
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class MethodAreaOOM {

    public static void main(String[] args) {
        int count = 0;
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(MethodAreaOOM.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
                    return proxy.invoke(obj, args);
                }
            });
            enhancer.create();
            System.out.println(++count);
        }
    }

}

-XX:MaxPermSize为10m。其中的一次测试结果为，当count的值累加到800时，发生如下异常：

Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:792)
    ... 8 more

随着-XX:MaxPermSize参数值的增大，java方法区中可以存储的类型数据也越多。

3.栈溢出： java.lang.StackOverflowError : Thread Stack space

栈溢出了，JVM依然是采用栈式的虚拟机，这个和C和Pascal都是一样的。函数的调用过程都体现在堆栈和退栈上了。调用构造函数的 “层”太多了，以致于把栈区溢出了。 通常来讲，一般栈区远远小于堆区的，因为函数调用过程往往不会多于上千层，而即便每个函数调用需要 1K的空间（这个大约相当于在一个C函数内声明了256个int类型的变量），那么栈区也不过是需要1MB的空间。通常栈的大小是1-2MB的。通俗一点讲就是单线程的程序需要的内存太大了。 通常递归也不要递归的层次过多，很容易溢出。
解决方法：1：修改程序。2：通过 -Xss: 来设置每个线程的Stack大小即可。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

（1）StackOverflowError异常

每当java程序代码启动一个新线程时，Java虚拟机都会为它分配一个Java栈。Java栈以帧为单位保存线程的运行状态。当线程调用java方法时，虚拟机压入一个新的栈帧到该线程的java栈中。只要这个方法还没有返回，它就一直存在。如果线程的方法嵌套调用层次太多(如递归调用)，随着java栈中帧的逐渐增多，最终会由于该线程java栈中所有栈帧大小总和大于-Xss设置的值，而产生StackOverflowError内存溢出异常。例子如下：

package com.demo.test;

/**
 * VM Args: -Xss128k
 */
public class JavaVMStackSOF {

    private int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        new JavaVMStackSOF().method();
    }

    public void method() {
        System.out.println(++count);
        method();
    }

}

-Xss为128k。其中的一次测试结果为，当count的值累加到2230时，发生如下异常：

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at sun.nio.cs.UTF_8.updatePositions(UTF_8.java:77)
    at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeArrayLoop(UTF_8.java:564)
    at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeLoop(UTF_8.java:619)
    at java.nio.charset.CharsetEncoder.encode(CharsetEncoder.java:561)
    at sun.nio.cs.StreamEncoder.implWrite(StreamEncoder.java:271)
    at sun.nio.cs.StreamEncoder.write(StreamEncoder.java:125)
    at java.io.OutputStreamWriter.write(OutputStreamWriter.java:207)
    at java.io.BufferedWriter.flushBuffer(BufferedWriter.java:129)
    at java.io.PrintStream.write(PrintStream.java:526)
    at java.io.PrintStream.print(PrintStream.java:597)
    at java.io.PrintStream.println(PrintStream.java:736)
    at com.demo.test.JavaVMStackSOF.method(JavaVMStackSOF.java:15)

随着-Xss参数值的增大，可以嵌套的方法调用层次也相应增加。综上所述，StackOverflowError异常是由于方法调用的层次太深，最终导致为某个线程分配的所有栈帧大小总和大于-Xss设置的值，从而发生StackOverflowError异常。

（2）OutOfMemoryError异常

java程序代码启动一个新线程时，没有足够的内存空间为该线程分配java栈(一个线程java栈的大小由-Xss参数确定)，jvm则抛出OutOfMemoryError异常。例子如下：

package com.demo.test;

/**
 * VM Args: -Xss128k
 */
public class JavaVMStackOOM {

    public static void main(String[] args) {
        int count = 0;
        while (true) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    while (true) {
                        try {
                            Thread.sleep(5000);
                        } catch (Exception e) {
                        }
                    }
                }
            });
            thread.start();
            System.out.println(++count);
        }
    }

}

-Xss为128k。其中的一次测试结果为，当count的值累加到11958时，发生如下异常：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
    at java.lang.Thread.start0(Native Method)
    at java.lang.Thread.start(Thread.java:693)
    at com.demo.test.JavaVMStackOOM.main(JavaVMStackOOM.java:21)

随着-Xss参数值的增大，java程序可以创建的总线程数越少。

4.所以Server容器启动的时候我们经常关心和设置JVM的几个参数如下：

-Xms：java Heap初始大小， 默认是物理内存的1/64。
-Xmx：java Heap最大值，不可超过物理内存。
-Xmn：young generation的heap大小，一般设置为Xmx的3、4分之一 。增大年轻代后，将会减小年老代大小，可以根据监控合理设置。
-Xss：每个线程的Stack大小，而最佳值应该是128K,默认值好像是512k。
-XX:PermSize：设定内存的永久保存区初始大小，缺省值为64M。
-XX:MaxPermSize：设定内存的永久保存区最大大小，缺省值为64M。
-XX:SurvivorRatio：Eden区与Survivor区的大小比值，设置为8，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:8，一个Survivor区占整个年轻代的1/10。
-XX:+UseParallelGC：F年轻代使用并发收集，而年老代仍旧使用串行收集。
-XX:+UseParNewGC：设置年轻代为并行收集，JDK5.0以上，JVM会根据系统配置自行设置，所无需再设置此值。
-XX:ParallelGCThreads：并行收集器的线程数，值最好配置与处理器数目相等 同样适用于CMS。
-XX:+UseParallelOldGC：年老代垃圾收集方式为并行收集(Parallel Compacting)。
-XX:MaxGCPauseMillis：每次年轻代垃圾回收的最长时间(最大暂停时间)，如果无法满足此时间，JVM会自动调整年轻代大小，以满足此值。
-XX:+ScavengeBeforeFullGC：Full GC前调用YGC,默认是true。

实例如：JAVA_OPTS=”-Xms4g -Xmx4g -Xmn1024m -XX:PermSize=320M -XX:MaxPermSize=320m -XX:SurvivorRatio=6″

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第一种OutOfMemoryError： PermGen space

发生这种问题的原意是程序中使用了大量的jar或class，使java虚拟机装载类的空间不够，与Permanent Generation space有关。解决这类问题有以下两种办法：

1、增加java虚拟机中的XX:PermSize和XX:MaxPermSize参数的大小，其中XX:PermSize是初始永久保存区域大 小，XX:MaxPermSize是最大永久保存区域大小。如针对tomcat6.0，在catalina.sh 或catalina.bat文件中一系列环境变量名说明结束处（大约在70行左右） 增加一行： JAVA_OPTS=" -XX:PermSize=64M -XX:MaxPermSize=128m" 如果是windows服务器还可以在系统环境变量中设置。感觉用tomcat发布sprint+struts+hibernate架构的程序时很容易发生这种内存溢出错误。使用上述方法，我成功解决了部署ssh项目的tomcat服务器经常宕机的问题。

2、清理应用程序中web-inf/lib下的jar，如果tomcat部署了多个应用，很多应用都使用了相同的jar，可以将共同的jar移到 tomcat共同的lib下，减少类的重复加载。这种方法是网上部分人推荐的，我没试过，但感觉减少不了太大的空间，最靠谱的还是第一种方法。

第二种OutOfMemoryError： Java heap space

发生这种问题的原因是java虚拟机创建的对象太多，在进行垃圾回收之间，虚拟机分配的到堆内存空间已经用满了，与Heap space有关。解决这类问题有两种思路：

1、检查程序，看是否有死循环或不必要地重复创建大量对象。找到原因后，修改程序和算法。 我以前写一个使用K-Means文本聚类算法对几万条文本记录（每条记录的特征向量大约10来个）进行文本聚类时，由于程序细节上有问题，就导致了 Java heap space的内存溢出问题，后来通过修改程序得到了解决。

2、增加Java虚拟机中Xms（初始堆大小）和Xmx（最大堆大小）参数的大小。如：set JAVA_OPTS= -Xms256m -Xmx1024m