詳解Java內存溢出的幾種情況

JVM（Java虛擬機）是一個抽象的計算模型。就如同一臺真實的機器，它有自己的指令集和執行引擎，可以在運行時操控內存區域。目的是為構建在其上運行的應用程序提供一個運行環境。JVM可以解讀指令代碼並與底層進行交互：包括操作系統平臺和執行指令並管理資源的硬件體系結構。

1. 前言

JVM提供的內存管理機制和自動垃圾回收極大的解放了用戶對於內存的管理，大部分情況下不會出現內存洩漏和內存溢出問題。但是基本不會出現並不等於不會出現，所以掌握Java內存模型原理和學會分析出現的內存溢出或內存洩漏，對於使用Java的用戶來說仍然十分重要。

Java中內存溢出常見於如下的幾種情形：

• 棧內存溢出（StackOverflowError）

• 堆內存溢出（OutOfMemoryError：java heap space）

• 永久代溢出（OutOfMemoryError：PermGen sapce）

• ……

不同的內存溢出錯誤可能會發生在內存模型的不同區域，因此，我們需要根據出現錯誤的代碼具體分析來找出可能導致錯誤發生的地方，並想辦法進行解決。

2. 棧內存溢出

棧內存可以分為虛擬機棧（VM Stack）和本地方法棧（Native Method Stack），除了它們分別用於執行Java方法（字節碼）和本地方法，其餘部分原理是類似的（以虛擬機棧為例說明）。Java虛擬機棧是線程私有的，當線程中方法被調度時，虛擬機會創建用於保存局部變量表、操作數棧、動態連接和方法出口等信息的棧幀（Stack Frame）。

具體來說，當線程執行某個方法時，JVM會創建棧幀並壓棧，此時剛壓棧的棧幀就成為了當前棧幀。如果該方法進行遞歸調用時，JVM每次都會將保存了當前方法數據的棧幀壓棧，每次棧幀中的數據都是對當前方法數據的一份拷貝。如果遞歸的次數足夠多，多到棧中棧幀所使用的內存超出了棧內存的最大容量，此時JVM就會拋出StackOverflowError。

下面我們下一個不斷的遞歸調用自己的方法，然後執行該程序：

 public class StackOverflowErrorDemo { private static int stackLength = 0; public static void main(String[] args) { StackOverflowErrorDemo demo = new StackOverflowErrorDemo(); try { demo.pusStack(); } catch (Throwable e){ System.out.println("stack length is: " + demo.stackLength); throw e; } } public void pusStack(){ stackLength++; pusStack(); } }

運行程序很快就會拋出異常，異常信息如下所示。從輸出信息中發現，出現問題的地方就是程序中遞歸調用方法自身的地方。

stack length is: 20315
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at OutOfMemoryErrorDemo.StackOverflowErrorDemo.pusStack(StackOverflowErrorDemo.java:16)
at OutOfMemoryErrorDemo.StackOverflowErrorDemo.pusStack(StackOverflowErrorDemo.java:16)
at OutOfMemoryErrorDemo.StackOverflowErrorDemo.pusStack(StackOverflowErrorDemo.java:16)
......

總之，不論是因為棧幀太大還是棧內存太小，當新的棧幀內存無法被分配時，JVM就會拋出StackOverFlowError。通常棧內存可以通過設置-Xss參數來改變大小。

3. 堆內存溢出

堆內存的唯一作用就是存放數組和對象實例，即通過new指令創建的對象，包括數組和引用類型。堆內存溢出又分為兩種情況：

• 堆內存溢出：當堆中對象實例所佔的內存空間超出了堆內存的最大容量，JVM就會拋出OutOfMemoryError：java heap space異常

• 堆內存洩露：當堆中一些對象不再被引用但垃圾回收器無法識別時，這些未使用的對象就會在堆內存空間中無限期存在，不斷的堆積就會造成內存洩漏

如果是因為堆內存空間太小，可以通過改變-Xmx來進行調整，或者分析程序中對象的生命週期和存儲結構等信息進行調整；如果發生了內存洩漏，則可以先找出導致洩漏發生的對象是如何被GC ROOT引用起來的，然後通過分析引用鏈找到發生洩漏的地方。

例如，我們通過-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError來設置堆內存大小為20M，並且設定不支持自動擴展，同時使用-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError實現當異常拋出時Dump出當前的內存堆轉儲快照進行分析。

 import java.util.ArrayList; public class HeapOOMDemo { static class OOMObject{} public static void main(String[] args) { ArrayListlist = new ArrayList<>(); HeapOOMDemo demo = new HeapOOMDemo(); try { while (true) { list.add(new OOMObject()); } } catch (Throwable e){ System.out.println(list.size()); throw e; } } }

運行程序一段時間後輸出如下信息：

70091070
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.base/java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3721)
at java.base/java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3690)
at java.base/java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:235)
......