Java 虚拟机实战

虚拟机实战

1. Java 堆溢出
   1. Java 堆用于存储对象实例，只要不断创建对象，并且保证 GC Roots 到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么在对象数量达到最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。

• 代码示例：Java 堆内存溢出异常测试

import java.util.List;
import java.util.ArrayList;
/**
* VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
*/
public class HeapOOM{
    static class OOMObject{
    }
    public static void main(String[] args){
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
        while(true){
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

• 结果演示：
  运行环境为：

james@james:~ > java -version
java version "1.8.0_101"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_101-b13)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.101-b13, mixed mode)
james@james:~/code/hello-world/code/JVM > java -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError HeapOOM 
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid86289.hprof ...
Heap dump file created [27533560 bytes in 0.115 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at 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 HeapOOM.main(HeapOOM.java:13)

• 结果分析：
  1. 虚拟机堆转储快照分析工具 jhat
  2. jhat(JVM Heap Analysis Tool)是 Sun JDK 提供的分析工具，可以在浏览器中查看分析结果。
  3. 分析结果默认是以包为单位进行分组显示，分析内存泄露问题主要会使用到其中的“Heap Histogram（堆直方图）”与 QQL 页签的功能。前者可以找到内存中总容量最大的对象和实例数最多的对象，后者是标准的对象查询语言。
  4. 由于加载 dump 快照文件需要比 dump 文件更大的内存，所以一般在 64 位 JDK，大内存服务器上进行。

james@james:~/code/hello-world/code/JVM > jhat java_pid86289.hprof 
Reading from java_pid86289.hprof...
Dump file created Tue Jan 17 10:01:43 CST 2017
Snapshot read, resolving...
Resolving 814423 objects...
Chasing references, expect 162 dots..................................................................................................................................................................
Eliminating duplicate references..................................................................................................................................................................
Snapshot resolved.
Started HTTP server on port 7000
Server is ready.

• 如上图可以看出对象 HeapOOM 的实例数最多，但是它的空间是 0，占用空间最大的是 Object。原因现在还不好说

2. 虚拟机栈和本地方法栈溢出
   1. 由于在 HotSpot 虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此对 HotSpot 来说设置本地方法栈大小的参数-Xoss 是无效的，栈容量只由-Xss 参数决定。
   2. 关于虚拟机栈和本地方法栈，在 Java 虚拟机规范中描述了两种异常：
      1. 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出 StackOverflowError 异常；
      2. 如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出 OutOfMemoryError 异常。
   3. 实际实现可能与规范有所差异。

• 代码示例：虚拟机栈和本地方法栈 OOM 测试

/**
* VM Args: -Xss 128k
*/
public class JavaVMStackSOF{
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak(){
        stackLength++;
        stackLeak();
    }
    public static void main(String[] args) throws Throwable{
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try{
            oom.stackLeak();
        }catch(Throwable e){
            System.out.println("stack length:"+oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

• 运行结果：

james@james:~/code/hello-world/code/JVM > java -Xss128k JavaVMStackSOF

The stack size specified is too small, Specify at least 228k
Error: Could not create the Java Virtual Machine.
Error: A fatal exception has occurred. Program will exit.
james@james:~/code/hello-world/code/JVM > java -Xss228k JavaVMStackSOF
stack length:1550
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:9)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:9)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:9)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:9)

• 结果分析：
  1. 在单个线程下，无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是 StackOverflowError 异常。
  2. 如果测试时不限于单线程，通过不断地建立线程的方式倒是可以产生内存溢出异常，如下所示。但是这样产生的内存溢出异常与栈空间是否足够大并不存在任何联系，或者准确地说，在这种情况下，为每个线程的栈分配的内存越大，反而越容易出现内存溢出异常。
• 代码示例：创建线程导致内存溢出异常

public class JavaVMStackOOM{
    private void dontStop(){
        while(true){
            System.out.println("dontStop");
        }
    }
    public void stackLeakByThread(){
         while(true){
            Thread thread = new Thread(new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();
         }
    }
    public static void main(String[] args){
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}

• 结果分析：
  上面的代码通过不断创建线程来实现虚拟机栈和本地方法栈溢出，但是在 linux 下并没有抛出异常，而是 cpu 使用率超高的状态，内存使用也不断增大。只能通过 kill 命令杀死进程。
• jps:虚拟机进程状况工具，类似 ps 命令；
• jstat:虚拟机统计信息监视工具，它可以显示本地或者远程虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT 编译等运行数据。