垃圾回收算法与实现系列-Java堆内存溢出原因

导语
内存一直是所有开发人员探索的一片天地，再JVM中，内存往往会被分为几块，了解不同的内存区域对编写出优质的代码有很大的帮助。堆内存作为JVM中比较重要的区域，有很多值得我们探索的地方。下面就来介绍一下Java堆内存溢出的解决思路

文章目录

分析内存溢出的原因
- 堆溢出
- 直接内存溢出
- 过多线程导致OOM
- 永久区溢出
- GC效率低下引起的OOM

分析内存溢出的原因

OOM 作为比较令人头痛的问题一直困扰着很多程序员，它通常出现在某一块内存空间将要消耗尽的时候，在JVM中，导致内存溢出的原因也是比较多的，这里就来主要讨论一下最为常见的几种问题，包括堆溢出、直接内存溢出、永久区溢出等。

堆溢出

Java堆作为JVM中最为重要的内存区域，由于大量的对象需要在堆内存进行分配，所以它是最有可能发生溢出的区域。大多数情况下的内存溢出都是堆内存溢出。通过上面描述可以知道，堆内存的溢出就是堆内存中出现大量的对象，没有及时的回收，占据了堆内存中的很大的空间，当对象大小之和大于由Xmx参数指定的堆空间大小的时候，溢出的错误就发生了。例如

public class SimpleHeapOOM{public static void main(String args[]){ArrayList<byte[]> list = new ArrayList<byte[]>();for(int i = 0;i<1024;i++){list.add(new byte[1024*1024]);}}
}

运行上面的程序，马上就会抛出内存溢出的异常。Java heap space。

为了减少堆溢出的错误，一方面可以使用-Xmx 参数指定一个大一点的堆空间，另一方面，由于堆空间不能无限的增加，通过MAT或者Visual VM等工具，找到大量占用堆空间的对象并在程序层面上做出合理的优化，这个是十分必要的。

直接内存溢出

Java在NIO操作中支持使用直接内存，也就是通过Java代码可以额外获得一块堆外的内存空间，这个内存空间是直接向操作系统申请了，至于为什么会有这样一块内存空间，这个就跟NIO的原理有关了，这里就不多做说明了。直接内存的申请速度要比JVM的内存申请要慢，但是它的访问速度确实要比堆内存要快。所以这里就又得提到复用了，并且对于经常被访问的空间，使用直接内存可以提高系统的性能。但是由于直接内存没有被JVM所管理，所以使用不当的时候容易导致直接内存溢出。

public class DirectBufferOOM{public static void main(String args[]){for(int i = 0;i<1024;i++){ByteBuffer.allocateDirect(1024*1024);System.out.println(i)//System.gc();}}
}

运行上述代码，不用多久就会出现内存溢出，导致程序退出。
当然读者实验的时候可以稍微的降低JDK的版本，降低操作系统的配置，可能在高性能的机器上，这种代码不会出现任何的问题。
或许有人会问，通过这种方式，JVM的垃圾回收机制为什么没有起作用呢？在程序的第四行，分配的直接内存并没有被任何对象引用，为什么没有被垃圾收收集器回收呢？可以加入如下的参数再次运行

-XX:+PrintGCDetails

会发现并没有垃圾收集日志打印出来，也就是说整个的执行过程并没有涉及到GC操作。实际上直接内存不一定触发垃圾回收操作，除非是直接内存使用量达到了-XX:MaxDirectMemorySize的设置值。所说保证直接内存不溢出的方式就是可以合理的进行Full GC。或者设定一个系统可以达到的-XX:MaxDirectMemorySize值，默认是-Xmx。因此，如果系统的堆内存少有GC发生，而直接内存申请频繁，会比较容易导致直接内存溢出，这个在32位机器上比较明显，64位机器上除非是极限情况。

上述代码第六行代码，去掉注释，使得显式的GC生效，那么整个程序就可以正常的结束，这个就说明GC是可以回收直接内存的。

而另一个让上述代码正常执行的操作就是设置一个较小的堆，在不指定–XX:MaxDirectMemorySize的情况下，最大可以使用的直接内存是堆内存的大小。

-Xmx512M -XX:+PrintGCDetails

这里将最大堆内存限制在512M，这种情况下，最大可用直接内存也是512M。操作系统可以同时为堆和直接内存提供足够的空间，当直接内存使用达到512M的时候，也会进行GC操作，释放无用的空间。

显式设置-XX:MaxDirectMemorySize也是解决这个问题的方法，只要设置一个系统实际可以达到的最大直接内存值，实际上不应该触发的内存溢出就不会发生。

综上，为了避免直接内存溢出，在确保空间不浪费的基础上，合理执行显式GC可以降低直接内存溢出的概率，设置合理的-XX:MaxDirectMemorySize大小值，也可以避免直接内存溢出。

过多线程导致OOM

由于为每个线程开辟空间，都要占用内存，因此当线程数量太多的时候，就可能导致OOM问题。由于线程的栈空间也是在堆外分配的，所以与直接内存相似，如果想让系统支持更多的线程，那么应该使用一个较小的堆内存。

public class MultiThreadOOM{public static class SleepThread implements Runable{public void run(){try{Thread.sleep(100000000)}catch(InterruptedException e){e.printStackTrace();}}}public static void main(String args[]){for(int i = 0;i<1500;i++){new Thread(new SleepThread(),"Thread - "+i).start();}}
}

运行上述代码可以知道，可以看到控制台打印 unable to create new native thread ，标识系统创建线程的数量已经饱和，原因是Java进程已经达到了内存使用的上限。要解决这个问题，从如下两个方面下手。

1、尝试减少堆空间，可以使用-Xmx 进行设置
2、减少每个线程所占用的内存空间，使用-Xss 参数可以指定线程的栈空间

注意如果减少线程的栈空间大小，栈溢出的风险就会相应上升
综上，处理这一类的OOM，除了合理的减少线程总数，减少最大堆空间数、减少线程栈空间也是可行的，但是需要考虑到栈溢出风险。

永久区溢出

永久区(Perm) 是存放类元数据的区域。如果一个系统中有太多的类型，那么就会导致永久区溢出。在JDK1.8中，永久区改为叫做元数据区，但是它与永久区的功能是类似的，都是为了保存类的元数据。

如果一个系统不断的产生新的类，没有回收，最终非常有可能导致永久区溢出。如下，这段代码每次都会循环生成一个新的类，是类，而不是对象实例。

public class PermOOM{public static void main(String[] args){try{for(int i =0;i<100000;i++){CglibBean bean = new CglibBean("com.test.bean"+,new HashMap());}}catch(Error e){e.printStackTrace();}}
}

博主为了测试是使用JDK1.6，并且使用了如下的参数执行上述代码

-XX:MaxPermSize=5M

程序运行一段时间之后，抛出 PermGen space 异常

一般来说，要解决永久区溢出的问题，可以从如下的几个方面来考虑

1、增大MaxPermSize的值。
2、减少系统需要的类的数量。
3、减少系统需要的类的数量
4、使用ClassLoader合理地装载各个类，并定期进行回收。

GC效率低下引起的OOM

GC作为内存回收的关键，如果GC效率低下，那么整体的系统性能都会受到影响。如果系统的堆空间太小，那么GC话费的时间就会比较多，并且回收释放掉的内存会较少。

根据GC占用的系统时间，以及释放内存的大小，虚拟机就会评判GC的效率，一旦效率过低，就会直接抛出OOM。但JVM一般情况下不会随意判断，因为即使GC效率不高，强制终止程序也是不合适的，一般会检查如下的几种情况

1、花在GC上的时间是否超过98%
2、老年代释放的内存是否小于2%
3、eden区释放的内存是否小于2%
4、是否连续5次GC都出现了上述情况

当满足条件的时候，才会抛出OOM异常 GC overhead limit exceeded

尽管虚拟机限制的很严格，但是再大部分的使用场景中还是会有堆溢出的异常。这个OOM只起到辅助的作用，提示堆内存太小，因此虚拟机也不是非要开启这个提示，可以通过关闭-XX:-UseGCOverheadLimit来禁止上述问题的出现。