实战：OutOfMemoryError异常

    在Java虚拟机规范的描述中，除了程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError（下文称OOM）异常的可能，本节将通过若干实例来验证异常发生的场景，并且会初步介绍几个与内存相关的最基本的虚拟机参数。
    本节内容的目的有两个 ：第一，通过代码验证Java虚拟机规范中描述的各个运行时区域储存的内容；第二，希望读者在工作中遇到实际的内存溢出异常时，能根据异常的信息快速判断是哪个区域的内存溢出，以及出现这些异常后该如何处理。
    1、java堆溢出
    java堆用于储存对象实例，我们只要不断地创建对象，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，就会在对象数量达到最大堆的容量限制后产生内存溢出异常。
    代码清单中限制Java堆的大小为20MB,不可扩展（将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx设置为一样就可避免堆自动扩展），通过参数-XX：+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析。

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

运行结果：
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid10524.hprof ...
Heap dump file created [29757504 bytes in 0.420 secs]
    Java堆内存的OOM异常时实际应用中最常见的内存溢出情况。出现Java堆内存溢出时，异常堆栈信息“java.lang.OutOfMemoryError"会跟着进一步提示”Java heap space"。
    要解决这个区域的异常，一般的手段是首先通过内存影像工具分析（如Eclipse Memory Analyzer）对dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必要的，也就是要先分清除到底是出现了内存泄露（Memory Leak)还是内存溢出（Memory Overflow)。
    如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄漏对象的类型信息，以及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。
    如果不存在泄漏，换句话说就是内存中的对象确实都还必须活着，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xmx与-Xms），与物理机器内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。
    以上是处理Java堆内存的简略思路
   2、虚拟机栈和本地方法栈溢出
    由于在HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此对于HotSpot来说，-Xoss参数（设置本地方法栈大小）虽然存在，单实际上是无效的，栈容量只由-Xss参数设定。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：
    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。
    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。
    这里把异常分为两种情况看似更加严谨，但存在着一些相互重叠的地方：当栈空间无法继续分配时，到底是内存太小，还是使用的栈空间太大，其本质上只是对同一种事情的两种描述而已。
    在笔者的实验中，如果将试验范围限制于单线程中的操作，尝试了下面两种方法均无法让虚拟机产生OutofMemoryError异常，尝试的结果都是获得StackOverflowError异常，测试代码如下所示。
    1）使用-Xss参数减少栈内存容量。结果：抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的栈深度相应缩小。
    2）定义了大量的本地变量，增加此方法帧中本地变量表中的长度。结果：抛出StackOverflowError异常时输出的栈深度相应缩小。

/**
 * VM args:-Xss128k
 * @author xuelu
 *
 */
public class JavaVMStackSOF {
	
	private int stackLength = 1;
	
	public void stackLeak(){
		stackLength++;
		stackLeak();
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
		try{
			oom.stackLeak();
		}catch(Throwable e){
			System.out.println("stack length:"+oom.stackLength);
			throw e;
		}

	}

运行结果：
stack length:2294
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at com.xue.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)
at com.xue.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
at com.xue.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
at com.xue.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
at com.xue.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
at com.xue.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
         ...
   实验结果表明：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。
     如果测试时不限于单线程，通过不断地建立线程的方法倒是可以产生内存溢出异常，如下代码所示。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，给每个线程的栈分配的内存越大，反而越容易产生内存溢出异常。
     原因其实不难理解，操作系统分配给每个进程的内存是有限的，譬如23位的Windows限制为2GB。虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区的这两部分内存的最大值。剩余的内存为2GB（操作系统限制）减去Xmx（最大堆容量），再减去MaxPermSize（最大方法区容量），程序计数器消耗内存很小，可以忽略掉。如果虚拟机进程本身消耗的内存不计算在内，剩下的内存就由虚拟机和本地方法栈“瓜分”了。每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数量自然就越少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。
     这一点在开发多线程应用的时候需特别注意，出现StackOverflowError异常时有错堆栈可以阅读，相对来说，比较容易找到找到问题的所在。而且，如果使用虚拟机默认参数，栈深度在大多数情况下（因为每个方法压入栈的帧大小并不是一样的，所以只能说大多数情况下）达到1000~2000完全没有问题，对于正常的方法调用（包括递归），这个深度应该完全够用了。但是，如果是建立过多线程导致的内存溢出，在不能减少线程数或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。如果没有这方面的经验，这种“通过内存”的手段来解决内存溢出的方式会比较难以想到。

/**
 * VM Args:-Xss2M
 * @author xuelu
 *
 */
public class JavaVMStackOOM {

	private void dontStop(){
		while(true){
			
		}
	}
	
	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();
	}

}

运行结果：
     Exception in thread "main" java.lang.OutofMemoryError:unable to create new native thread
3、运行时常量池溢出
    如果要向运行时常量池中添加内容，最简单的做法就是使用String.intern()这个Native方法。该方法的作用是：如果池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；负责，则将String对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此String对象的引用。由于常量池分配在方法区，我们可以通过-XX：PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小，从而间接限制其中常量池的容量，如下代码所示。

/**
 * VM Args:-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author xuelu
 *
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {

	/**
	 * @param args
	 */
	public static void main(String[] args) {
		// 使用List保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
		List<String> list = new ArrayList<String>();
		//10MB的PermSize在integer范围内足够产生OOM了
		int i = 0;
		while(true){
			list.add(String.valueOf(i++).intern());
		}

	}

}

     从运行结果中可以看到，运行时常量池溢出，在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是“PermGen Space”，说明运行时常量池属于方法区的一部分。