導(dǎo)言：

對于java程序員來說，在虛擬機自動內(nèi)存管理機制的幫助下，不需要自己實現(xiàn)釋放內(nèi)存，不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出的問題，由虛擬機管理內(nèi)存這一切看起來非常美好，但是一旦出現(xiàn)內(nèi)存溢出或者內(nèi)存泄漏的問題，對于不熟悉jvm虛擬機是怎么使用內(nèi)存的話，那么排查錯誤將會是一項非常艱巨的任務(wù)。所以在了解內(nèi)存溢出之前先要搞明白JVM的內(nèi)存模型。

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(zhí)行引擎，可以在運行時操控內(nèi)存區(qū)域。目的是為構(gòu)建在其上運行的應(yīng)用程序提供一個運行環(huán)境。JVM可以解讀指令代碼并與底層進行交互：包括操作系統(tǒng)平臺和執(zhí)行指令并管理資源的硬件體系結(jié)構(gòu)。

JVM內(nèi)存模型

根據(jù) JVM8 規(guī)范，JVM 運行時內(nèi)存共分為虛擬機棧、堆、元空間、程序計數(shù)器、本地方法棧五個部分。還有一部分內(nèi)存叫直接內(nèi)存，屬于操作系統(tǒng)的本地內(nèi)存，也是可以直接操作的。

1. 元空間(Metaspace)

元空間的本質(zhì)和***代類似，都是對JVM規(guī)范中方法區(qū)的實現(xiàn)。不過元空間與***代之間***的區(qū)別在于：元空間并不在虛擬機中，而是使用本地內(nèi)存。

2.虛擬機棧(JVM Stacks)

每個線程有一個私有的棧，隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建。棧里面存著的是一種叫“棧幀”的東西，每個方法會創(chuàng)建一個棧幀，棧幀中存放了局部變量表(基本數(shù)據(jù)類型和對象引用)、操作數(shù)棧、方法出口等信息。棧的大小可以固定也可以動態(tài)擴展。

3. 本地方法棧(Native Method Stack)

與虛擬機棧類似，區(qū)別是虛擬機棧執(zhí)行java方法，本地方法站執(zhí)行native方法。在虛擬機規(guī)范中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒有強制規(guī)定，因此虛擬機可以自由實現(xiàn)它。

4. 程序計數(shù)器(Program Counter Register)

程序計數(shù)器可以看成是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。在任何一個確定的時刻，一個處理器(對于多內(nèi)核來說是一個內(nèi)核)都只會執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要一個獨立的程序計數(shù)器，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域為“線程私有”內(nèi)存。

5.堆內(nèi)存(Heap)

堆內(nèi)存是 JVM 所有線程共享的部分，在虛擬機啟動的時候就已經(jīng)創(chuàng)建。所有的對象和數(shù)組都在堆上進行分配。這部分空間可通過 GC 進行回收。當(dāng)申請不到空間時會拋出 OutOfMemoryError。堆是JVM內(nèi)存占用***，管理最復(fù)雜的一個區(qū)域。其唯一的用途就是存放對象實例：所有的對象實例及數(shù)組都在對上進行分配。jdk1.8后，字符串常量池從***代中剝離出來，存放在其中。

6.直接內(nèi)存(Direct Memory)

直接內(nèi)存并不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是Java 虛擬機規(guī)范中農(nóng)定義的內(nèi)存區(qū)域。在JDK1.4 中新加入了NIO(New Input/Output)類，引入了一種基于通道(Channel)與緩沖區(qū)(Buffer)的I/O 方式，它可以使用native 函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通脫一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer 對象作為這塊內(nèi)存的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

內(nèi)存溢出的十個場景

JVM運行時首先需要類加載器(classLoader)加載所需類的字節(jié)碼文件。加載完畢交由執(zhí)行引擎執(zhí)行，在執(zhí)行過程中需要一段空間來存儲數(shù)據(jù)(類比CPU與主存)。這段內(nèi)存空間的分配和釋放過程正是我們需要關(guān)心的運行時數(shù)據(jù)區(qū)。內(nèi)存溢出的情況就是從類加載器加載的時候開始出現(xiàn)的，內(nèi)存溢出分為兩大類：OutOfMemoryError和StackOverflowError。以下舉出10個內(nèi)存溢出的情況，并通過實例代碼的方式講解了是如何出現(xiàn)內(nèi)存溢出的。

一.java堆內(nèi)存溢出

當(dāng)出現(xiàn)java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space異常時，就是堆內(nèi)存溢出了。

1.問題描述

1. 設(shè)置的jvm內(nèi)存太小，對象所需內(nèi)存太大，創(chuàng)建對象時分配空間，就會拋出這個異常。
2. 流量/數(shù)據(jù)峰值，應(yīng)用程序自身的處理存在一定的限額，比如一定數(shù)量的用戶或一定數(shù)量的數(shù)據(jù)。而當(dāng)用戶數(shù)量或數(shù)據(jù)量突然激增并超過預(yù)期的閾值時，那么就會峰值停止前正常運行的操作將停止并觸發(fā)java . lang.OutOfMemoryError:Java堆空間錯誤

2.示例代碼

編譯以下代碼，執(zhí)行時jvm參數(shù)設(shè)置為-Xms20m -Xmx20m

以上這個示例，如果一次請求只分配一次5m的內(nèi)存的話，請求量很少垃圾回收正常就不會出錯，但是一旦并發(fā)上來就會超出***內(nèi)存值，就會拋出內(nèi)存溢出。

3.解決方法

首先，如果代碼沒有什么問題的情況下，可以適當(dāng)調(diào)整-Xms和-Xmx兩個jvm參數(shù)，使用壓力測試來調(diào)整這兩個參數(shù)達到***值。

其次，盡量避免大的對象的申請，像文件上傳，大批量從數(shù)據(jù)庫中獲取，這是需要避免的，盡量分塊或者分批處理，有助于系統(tǒng)的正常穩(wěn)定的執(zhí)行。

***，盡量提高一次請求的執(zhí)行速度，垃圾回收越早越好，否則，大量的并發(fā)來了的時候，再來新的請求就無法分配內(nèi)存了，就容易造成系統(tǒng)的雪崩。

二.java堆內(nèi)存泄漏

1.問題描述

Java中的內(nèi)存泄漏是一些對象不再被應(yīng)用程序使用但垃圾收集無法識別的情況。因此，這些未使用的對象仍然在Java堆空間中***期地存在。不停的堆積最終會觸發(fā)java . lang.OutOfMemoryError。

2.示例代碼

當(dāng)執(zhí)行上面的代碼時，可能會期望它永遠運行，不會出現(xiàn)任何問題，假設(shè)單純的緩存解決方案只將底層映射擴展到10,000個元素，而不是所有鍵都已經(jīng)在HashMap中。然而事實上元素將繼續(xù)被添加，因為key類并沒有重寫它的equals()方法。

隨著時間的推移，隨著不斷使用的泄漏代碼，“緩存”的結(jié)果最終會消耗大量Java堆空間。當(dāng)泄漏內(nèi)存填充堆區(qū)域中的所有可用內(nèi)存時，垃圾收集無法清理它，java . lang.OutOfMemoryError。

3.解決辦法

相對來說對應(yīng)的解決方案比較簡單：重寫equals方法即可：

三.垃圾回收超時內(nèi)存溢出

1、問題描述

當(dāng)應(yīng)用程序耗盡所有可用內(nèi)存時，GC開銷限制超過了錯誤，而GC多次未能清除它，這時便會引發(fā)java.lang.OutOfMemoryError。當(dāng)JVM花費大量的時間執(zhí)行GC，而收效甚微，而一旦整個GC的過程超過限制便會觸發(fā)錯誤(默認(rèn)的jvm配置GC的時間超過98%，回收堆內(nèi)存低于2%)。

2.示例代碼

3.解決方法

要減少對象生命周期，盡量能快速的進行垃圾回收。

四.Metaspace內(nèi)存溢出

1.問題描述

元空間的溢出，系統(tǒng)會拋出java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace。出現(xiàn)這個異常的問題的原因是系統(tǒng)的代碼非常多或引用的第三方包非常多或者通過動態(tài)代碼生成類加載等方法，導(dǎo)致元空間的內(nèi)存占用很大。

2.示例代碼

以下是用循環(huán)動態(tài)生成class的方式來模擬元空間的內(nèi)存溢出的。

3.如何解決元空間的內(nèi)存溢出呢?

默認(rèn)情況下，元空間的大小僅受本地內(nèi)存限制。但是為了整機的性能，盡量還是要對該項進行設(shè)置，以免造成整機的服務(wù)停機。

1)優(yōu)化參數(shù)配置，避免影響其他JVM進程

-XX:MetaspaceSize，初始空間大小，達到該值就會觸發(fā)垃圾收集進行類型卸載，同時GC會對該值進行調(diào)整：如果釋放了大量的空間，就適當(dāng)降低該值;如果釋放了很少的空間，那么在不超過MaxMetaspaceSize時，適當(dāng)提高該值。

-XX:MaxMetaspaceSize，***空間，默認(rèn)是沒有限制的。

除了上面兩個指定大小的選項以外，還有兩個與 GC 相關(guān)的屬性：

-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空間容量的百分比，減少為分配空間所導(dǎo)致的垃圾收集 。

-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之后，***的Metaspace剩余空間容量的百分比，減少為釋放空間所導(dǎo)致的垃圾收集。

2)慎重引用第三方包

對第三方包，一定要慎重選擇，不需要的包就去掉。這樣既有助于提高編譯打包的速度，也有助于提高遠程部署的速度。

3)關(guān)注動態(tài)生成類的框架

對于使用大量動態(tài)生成類的框架，要做好壓力測試，驗證動態(tài)生成的類是否超出內(nèi)存的需求會拋出異常。

五.直接內(nèi)存內(nèi)存溢出

1.問題描述

在使用ByteBuffer中的allocateDirect()的時候會用到，很多javaNIO(像netty)的框架中被封裝為其他的方法，出現(xiàn)該問題時會拋出java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory異常。

如果你在直接或間接使用了ByteBuffer中的allocateDirect方法的時候，而不做clear的時候就會出現(xiàn)類似的問題。

2.示例代碼

3.解決辦法

如果經(jīng)常有類似的操作，可以考慮設(shè)置參數(shù)：-XX:MaxDirectMemorySize，并及時clear內(nèi)存。

六.棧內(nèi)存溢出

1.問題描述

當(dāng)一個線程執(zhí)行一個Java方法時，JVM將創(chuàng)建一個新的棧幀并且把它push到棧頂。此時新的棧幀就變成了當(dāng)前棧幀，方法執(zhí)行時，使用棧幀來存儲參數(shù)、局部變量、中間指令以及其他數(shù)據(jù)。

當(dāng)一個方法遞歸調(diào)用自己時，新的方法所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(也可以理解為新的棧幀)將會被push到棧頂，方法每次調(diào)用自己時，會拷貝一份當(dāng)前方法的數(shù)據(jù)并push到棧中。因此，遞歸的每層調(diào)用都需要創(chuàng)建一個新的棧幀。這樣的結(jié)果是，棧中越來越多的內(nèi)存將隨著遞歸調(diào)用而被消耗，如果遞歸調(diào)用自己一百萬次，那么將會產(chǎn)生一百萬個棧幀。這樣就會造成棧的內(nèi)存溢出。

2.示例代碼

3.解決辦法

如果程序中確實有遞歸調(diào)用，出現(xiàn)棧溢出時，可以調(diào)高-Xss大小，就可以解決棧內(nèi)存溢出的問題了。遞歸調(diào)用防止形成死循環(huán)，否則就會出現(xiàn)棧內(nèi)存溢出。

七.創(chuàng)建本地線程內(nèi)存溢出

1.問題描述

線程基本只占用heap以外的內(nèi)存區(qū)域，也就是這個錯誤說明除了heap以外的區(qū)域，無法為線程分配一塊內(nèi)存區(qū)域了，這個要么是內(nèi)存本身就不夠，要么heap的空間設(shè)置得太大了，導(dǎo)致了剩余的內(nèi)存已經(jīng)不多了，而由于線程本身要占用內(nèi)存，所以就不夠用了。

2.示例代碼

3.解決方法

首先檢查操作系統(tǒng)是否有線程數(shù)的限制，使用shell也無法創(chuàng)建線程，如果是這個問題就需要調(diào)整系統(tǒng)的***可支持的文件數(shù)。

日常開發(fā)中盡量保證線程***數(shù)的可控制的，不要隨意使用線程池。不能***制的增長下去。

八.超出交換區(qū)內(nèi)存溢出

1.問題描述

在Java應(yīng)用程序啟動過程中，可以通過-Xmx和其他類似的啟動參數(shù)限制指定的所需的內(nèi)存。而當(dāng)JVM所請求的總內(nèi)存大于可用物理內(nèi)存的情況下，操作系統(tǒng)開始將內(nèi)容從內(nèi)存轉(zhuǎn)換為硬盤。

一般來說JVM會拋出Out of swap space錯誤，代表應(yīng)用程序向JVM native heap請求分配內(nèi)存失敗并且native heap也即將耗盡時，錯誤消息中包含分配失敗的大小(以字節(jié)為單位)和請求失敗的原因。

2.解決辦法

增加系統(tǒng)交換區(qū)的大小，我個人認(rèn)為，如果使用了交換區(qū)，性能會大大降低，不建議采用這種方式，生產(chǎn)環(huán)境盡量避免***內(nèi)存超過系統(tǒng)的物理內(nèi)存。其次，去掉系統(tǒng)交換區(qū)，只使用系統(tǒng)的內(nèi)存，保證應(yīng)用的性能。

九.數(shù)組超限內(nèi)存溢出

1.問題描述

有的時候會碰到這種內(nèi)存溢出的描述Requested array size exceeds VM limit，一般來說java對應(yīng)用程序所能分配數(shù)組***大小是有限制的，只不過不同的平臺限制有所不同，但通常在1到21億個元素之間。當(dāng)Requested array size exceeds VM limit錯誤出現(xiàn)時，意味著應(yīng)用程序試圖分配大于Java虛擬機可以支持的數(shù)組。JVM在為數(shù)組分配內(nèi)存之前，會執(zhí)行特定平臺的檢查：分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是否在此平臺是可尋址的。

2.示例代碼

以下就是代碼就是數(shù)組超出了***限制。

3.解決方法

因此數(shù)組長度要在平臺允許的長度范圍之內(nèi)。不過這個錯誤一般少見的，主要是由于Java數(shù)組的索引是int類型。 Java中的***正整數(shù)為2 ^ 31 - 1 = 2,147,483,647。 并且平臺特定的限制可以非常接近這個數(shù)字，例如：我的環(huán)境上(64位macOS，運行Jdk1.8)可以初始化數(shù)組的長度高達2,147,483,645(Integer.MAX_VALUE-2)。若是在將數(shù)組的長度再增加1達到nteger.MAX_VALUE-1會出現(xiàn)的OutOfMemoryError。

十.系統(tǒng)殺死進程內(nèi)存溢出

1.問題概述

在描述該問題之前，先熟悉一點操作系統(tǒng)的知識：操作系統(tǒng)是建立在進程的概念之上，這些進程在內(nèi)核中作業(yè)，其中有一個非常特殊的進程，稱為“內(nèi)存殺手(Out of memory killer)”。當(dāng)內(nèi)核檢測到系統(tǒng)內(nèi)存不足時，OOM killer被激活，檢查當(dāng)前誰占用內(nèi)存最多然后將該進程殺掉。

一般Out of memory:Kill process or sacrifice child錯會在當(dāng)可用虛擬虛擬內(nèi)存(包括交換空間)消耗到讓整個操作系統(tǒng)面臨風(fēng)險時，會被觸發(fā)。在這種情況下，OOM Killer會選擇“流氓進程”并殺死它。

2.示例代碼

3.解決方法

雖然增加交換空間的方式可以緩解Java heap space異常，還是建議***的方案就是升級系統(tǒng)內(nèi)存，讓java應(yīng)用有足夠的內(nèi)存可用，就不會出現(xiàn)這種問題。

總結(jié)

通過以上的10種出現(xiàn)內(nèi)存溢出情況，大家在實際碰到問題時也就會知道怎么解決了，在實際編碼中也要記得：

1.第三方j(luò)ar包要慎重引入，堅決去掉沒有用的jar包，提高編譯的速度和系統(tǒng)的占用內(nèi)存。

2.對于大的對象或者大量的內(nèi)存申請，要進行優(yōu)化，大的對象要分片處理，提高處理性能，減少對象生命周期。

3.盡量固定線程的數(shù)量，保證線程占用內(nèi)存可控，同時需要大量線程時，要優(yōu)化好操作系統(tǒng)的***可打開的連接數(shù)。

4.對于遞歸調(diào)用，也要控制好遞歸的層級，不要太高，超過棧的深度。

5.分配給棧的內(nèi)存并不是越大越好，因為棧內(nèi)存越大，線程多，留給堆的空間就不多了，容易拋出OOM。JVM的默認(rèn)參數(shù)一般情況沒有問題(包括遞歸)。