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调试排错 - Java 内存分析之堆内存和MetaSpace内存

本文是JVM第十四讲，以两个简单的例子(堆内存溢出和MetaSpace (元数据) 内存溢出）解释Java 内存溢出的分析过程。

1、常见的内存溢出问题(内存和MetaSpace内存)

常见的内存溢出问题(内存和MetaSpace内存)。

1.1、Java 堆内存溢出

Java 堆内存（Heap Memory)主要有两种形式的错误：

1. OutOfMemoryError: Java heap space
2. OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

1、OutOfMemoryError: Java heap space

在 Java 堆中只要不断的创建对象，并且 GC-Roots 到对象之间存在引用链，这样 JVM 就不会回收对象。

只要将-Xms(最小堆),-Xmx(最大堆) 设置为一样禁止自动扩展堆内存。

当使用一个 while(true) 循环来不断创建对象就会发生 OutOfMemory，还可以使用 -XX:+HeapDumpOutofMemoryErorr 当发生 OOM 时会自动 dump 堆栈到文件中。

伪代码:

public static void main(String[] args) {List<String> list = new ArrayList<>(10) ;while (true){list.add("1") ;}
}

当出现 OOM 时可以通过工具来分析 GC-Roots 引用链 ，查看对象和 GC-Roots 是如何进行关联的，是否存在对象的生命周期过长，或者是这些对象确实该存在的，那就要考虑将堆内存调大了。

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap spaceat java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261)at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)at com.crossoverjie.oom.HeapOOM.main(HeapOOM.java:18)at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:147)Process finished with exit code 1

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space表示堆内存溢出。

2、OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

GC overhead limt exceed 检查是Hotspot VM 1.6定义的一个策略，通过统计GC时间来预测是否要OOM了，提前抛出异常，防止OOM发生。Sun 官方对此的定义是：“并行/并发回收器在GC回收时间过长时会抛出 OutOfMemroyError。过长的定义是，超过98%的时间用来做GC并且回收了不到2%的堆内存。用来避免内存过小造成应用不能正常工作。“

PS：-Xmx最大内存配置2GB

public void testOom1() {List<Map<String, Object>> mapList = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < 1000000; i++) {Map<String, Object> map = new HashMap<>();for (int j = 0; j < i; j++) {map.put(String.valueOf(j), j);}mapList.add(map);}
}

上述的代码执行会：old区占用过多导致频繁Full GC，最终导致GC overhead limit exceed。

java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceededat java.util.HashMap.newNode(HashMap.java:1747) ~[na:1.8.0_181]at java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:642) ~[na:1.8.0_181]at java.util.HashMap.put(HashMap.java:612) ~[na:1.8.0_181]at tech.pdai.test.oom.controller.TestOomController.testOom1(TestOomController.java:33) ~[classes/:na]at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method) ~[na:1.8.0_181]at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62) ~[na:1.8.0_181]at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43) ~[na:1.8.0_181]at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498) ~[na:1.8.0_181]at org.springframework.web.method.support.InvocableHandlerMethod.doInvoke(InvocableHandlerMethod.java:197) ~[spring-web-5.3.9.jar:5.3.9]at org.springframework.web.method.support.InvocableHandlerMethod.invokeForRequest(InvocableHandlerMethod.java:141) ~[spring-web-5.3.9.jar:5.3.9]at org.springframework.web.servlet.mvc.method.annotation.ServletInvocableHandlerMethod.invokeAndHandle(ServletInvocableHandlerMethod.java:106) ~[spring-webmvc-5.3.9.jar:5.3.9]at org.springframework.web.servlet.mvc.method.annotation.RequestMappingHandlerAdapter.invokeHandlerMethod(RequestMappingHandlerAdapter.java:895) ~[spring-webmvc-5.3.9.jar:5.3.9]at org.springframework.web.servlet.mvc.method.annotation.RequestMappingHandlerAdapter.handleInternal(RequestMappingHandlerAdapter.java:808) ~[spring-webmvc-5.3.9.jar:5.3.9]at org.springframework.web.servlet.mvc.method.AbstractHandlerMethodAdapter.handle(AbstractHandlerMethodAdapter.java:87) ~[spring-webmvc-5.3.9.jar:5.3.9]at org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet.doDispatch(DispatcherServlet.java:1064) ~[spring-webmvc-5.3.9.jar:5.3.9]at org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet.doService(DispatcherServlet.java:963) ~[spring-webmvc-5.3.9.jar:5.3.9]at org.springframework.web.servlet.FrameworkServlet.processRequest(FrameworkServlet.java:1006) ~[spring-webmvc-5.3.9.jar:5.3.9]at org.springframework.web.servlet.FrameworkServlet.doGet(FrameworkServlet.java:898) ~[spring-webmvc-5.3.9.jar:5.3.9]at javax.servlet.http.HttpServlet.service(HttpServlet.java:655) ~[tomcat-embed-core-9.0.50.jar:4.0.FR]at org.springframework.web.servlet.FrameworkServlet.service(FrameworkServlet.java:883) ~[spring-webmvc-5.3.9.jar:5.3.9]at javax.servlet.http.HttpServlet.service(HttpServlet.java:764) ~[tomcat-embed-core-9.0.50.jar:4.0.FR]at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.internalDoFilter(ApplicationFilterChain.java:228) ~[tomcat-embed-core-9.0.50.jar:9.0.50]at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.doFilter(ApplicationFilterChain.java:163) ~[tomcat-embed-core-9.0.50.jar:9.0.50]at org.apache.tomcat.websocket.server.WsFilter.doFilter(WsFilter.java:53) ~[tomcat-embed-websocket-9.0.50.jar:9.0.50]at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.internalDoFilter(ApplicationFilterChain.java:190) ~[tomcat-embed-core-9.0.50.jar:9.0.50]at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.doFilter(ApplicationFilterChain.java:163) ~[tomcat-embed-core-9.0.50.jar:9.0.50]at org.springframework.web.filter.RequestContextFilter.doFilterInternal(RequestContextFilter.java:100) ~[spring-web-5.3.9.jar:5.3.9]at org.springframework.web.filter.OncePerRequestFilter.doFilter(OncePerRequestFilter.java:119) ~[spring-web-5.3.9.jar:5.3.9]at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.internalDoFilter(ApplicationFilterChain.java:190) ~[tomcat-embed-core-9.0.50.jar:9.0.50]at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.doFilter(ApplicationFilterChain.java:163) ~[tomcat-embed-core-9.0.50.jar:9.0.50]at org.springframework.web.filter.FormContentFilter.doFilterInternal(FormContentFilter.java:93) ~[spring-web-5.3.9.jar:5.3.9]at org.springframework.web.filter.OncePerRequestFilter.doFilter(OncePerRequestFilter.java:119) ~[spring-web-5.3.9.jar:5.3.9]

还可以使用 -XX:+HeapDumpOutofMemoryErorr 当发生 OOM 时会自动 dump 堆栈到文件中。

JVM还有这样一个参数：-XX:-UseGCOverheadLimit 设置为false可以禁用这个检查。其实这个参数解决不了内存问题，只是把错误的信息延后，替换成 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space。

1.2、MetaSpace (元数据) 内存溢出

JDK8 中将永久代移除，使用 MetaSpace 来保存类加载之后的类信息，字符串常量池也被移动到 Java 堆。

PermSize 和 MaxPermSize 已经不能使用了，在 JDK8 中配置这两个参数将会发出警告。

JDK 8 中将类信息移到了本地堆内存(Native Heap)中，将原有的永久代移动到了本地堆中成为 MetaSpace ，如果不指定该区域的大小，JVM 将会动态的调整。

可以使用 -XX:MaxMetaspaceSize=10M 来限制最大元数据。这样当不停的创建类时将会占满该区域并出现 OOM。

public static void main(String[] args) {while (true){// 动态代理Enhancer  enhancer = new Enhancer() ;enhancer.setSuperclass(HeapOOM.class);enhancer.setUseCache(false) ;enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {@Overridepublic Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {return methodProxy.invoke(o,objects) ;}});enhancer.create() ;}
}

使用 cglib 不停的创建新类，最终会抛出:

Caused by: java.lang.reflect.InvocationTargetExceptionat sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1.invoke(Unknown Source)at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)at net.sf.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:459)at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:336)... 11 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspaceat java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)... 16 more

注意: 这里的 OOM 伴随的是 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace 也就是元数据溢出。

2、分析案例

在实际工作中，如何去定位内存泄漏问题呢？

2.1、堆内存dump

• 通过OOM获取

即在 OutOfMemoryError 后获取一份HPROF二进制Heap Dump文件，在jvm中添加参数：

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

• 主动获取

在虚拟机添加参数如下，然后在Ctrl+Break组合键即可获取一份Heap Dump

-XX:+HeapDumpOnCtrlBreak

• 使用HPROF agent

使用Agent可以在程序执行结束时或受到 SIGOUT信号时生成Dump文件

配置在虚拟机的参数如下：

-agentlib:hprof=heap=dump,format=b

• jmap获取 (常用)

jmap可以在cmd里执行，命令如下：

jmap -dump:format=b file=<文件名XX.hprof> <pid>

• 使用JConsole

Acquire Heap Dump

• 使用JProfile

Acquire Heap Dump

2.2、使用MAT分析内存

MAT 等工具可以看：Java 问题排查之JVM可视化工具 - MAT