2021-04-10 13:48 已编辑中国地质大学（武汉） Java

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StackOverflow和OutOfMemory

1 概述

1、stackoverflow：栈溢出错误

每当java程序启动一个新的线程时，java虚拟机会为他分配一个栈，java栈以帧为单位保持线程运行状态；当线程调用一个方法是，jvm压入一个新的栈帧到这个线程的栈中，只要这个方法还没返回，这个栈帧就存在。
如果方法的嵌套调用层次太多(如递归调用),随着java栈中的帧的增多，最终导致这个线程的栈中的所有栈帧的大小的总和大于-Xss设置的值，而产生生StackOverflowError溢出异常。

2、outofmemory：内存不足错误

2.1、栈内存溢出

java程序启动一个新线程时，没有足够的空间为改线程分配java栈，一个线程java栈的大小由-Xss设置决定；JVM则抛出OutOfMemoryError异常。

2.2、堆内存溢出

java堆用于存放对象的实例，当需要为对象的实例分配内存时，而堆的占用已经达到了设置的最大值(通过-Xmx)设置最大值，则抛出OutOfMemoryError异常。

2.3、方法区内存溢出

方法区用于存放java类的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。在类加载器加载class文件到内存中的时候，JVM会提取其中的类信息，并将这些类信息放到方法区中。
当需要存储这些类信息，而方法区的内存占用又已经达到最大值（通过-XX:MaxPermSize）；将会抛出OutOfMemoryError异常对于这种情况的测试，基本的思路是运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。这里需要借助CGLib直接操作字节码运行时，生成了大量的动态类。

2.背景知识

1）.JVM体系结构

2）.JVM运行时数据区

3什么是栈？

java虚拟机模型。下图是一个线程里面的存放的数据

帧的特点

也叫栈内存，是java虚拟机的内存模型之一，每当启动一个新线程时，Java虚拟机都会为它分配一个Java栈。虚拟机只会直接对Java栈执行两种操作，以帧为单位的压栈和出栈。

栈存储的是什么

方法内的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息、其他等信息

栈栈的生命周期

是在线程创建时创建，线程结束而消亡，释放内存，由此可见栈内存是私有的。

栈内存是以栈帧(Stack Frame)为单位存储，栈帧是一个内存区块，是一个有关方法(Method)和运行期数据的数据集。

当一个方法M1被调用时就产生了一个栈帧S1，并被压入到栈中，M1方法又调用了M2方法，于是产生栈帧S2也被压入栈，M2方法执行完毕后，S2栈帧先出栈，S1栈帧再出栈，遵循“先进后出”原则。

栈帧

局部变量表

保存函数的参数以及局部变量用的，局部变量表中的变量只在当前函数调用中有效，当函数调用结束后，随着函数栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。

存放基本数据类型变量(boolean、byte、char、short、int、float)、引用类型的变量(reference)、returnAddress(指向一条字节码指令的地址)类型的变量。

操作数栈

主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。只支持出栈入栈操作。在概念模型中，两个栈帧是相互独立的。但是大多数虚拟机的实现都会进行优化，令两个栈帧出现一部分重叠。令下面的部分操作数栈与上面的局部变量表重叠在一块，这样在方法调用的时候可以共用一部分数据，无需进行额外的参数复制传递。

动态链接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属性方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。在Class文件的常量池中存有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用，这种转化称为静态解析。另外一部分将在每一次的运行期期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

方法出口信息

在方法退出之前，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行，方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说，方法正常退出时，调用者PC计数器的值就可以作为返回地址，栈帧中很可能会保存这个计数器值。而方法异常退出时，返回地址是要通过异常处理器来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息

其他

3堆溢出(OutOfMemoryError:java heap space)

堆（Heap）是Java存放对象实例的地方。

堆溢出可以分为以下两种情况，这两种情况都会抛出OutOfMemoryError:java heap space异常：

1）内存泄漏

内存泄漏是指对象实例在新建和使用完毕后，仍然被引用，没能被垃圾回收释放，一直积累，直到没有剩余内存可用。

如果内存泄露，我们要找出泄露的对象是怎么被GC ROOT引用起来，然后通过引用链来具体分析泄露的原因。

分析内存泄漏的工具有：Jprofiler，visualvm等。

示例：


import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.UUID;
 
public class OOMTest {
 
    public static void main(String[] args) {
        List<UUID> list = new ArrayList<UUID>();
        while (true) {
            list.add(UUID.randomUUID());
        }
    }
 
}

通过如下命令运行程序：

1	java -Xms10M -Xmx10M -XX:-UseGCOverheadLimit OOMTest
输出结果：

	Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at sun.security.provider.DigestBase.engineDigest(DigestBase.java:163)
    at java.security.MessageDigest$Delegate.engineDigest(MessageDigest.java:576)
    at java.security.MessageDigest.digest(MessageDigest.java:353)
    at sun.security.provider.SecureRandom.engineNextBytes(SecureRandom.java:226)
    at java.security.SecureRandom.nextBytes(SecureRandom.java:455)
    at java.util.UUID.randomUUID(UUID.java:145)
    at com.demo3.Test.main(Test.java:12)

2）内存溢出

内存溢出是指当我们新建一个实力对象时，实例对象所需占用的内存空间大于堆的可用空间。

如果出现了内存溢出问题，这往往是程序本生需要的内存大于了我们给虚拟机配置的内存，这种情况下，我们可以采用调大-Xmx来解决这种问题。

示例：

package com.demo3;
 
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
 
public class OOMTest {
 
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> buffer = new ArrayList<byte[]>();
        buffer.add(new byte[10 * 1024 * 1024]);
    }
}

通过如下命令运行程序：

java -verbose:gc -Xmn10M -Xms20M -Xmx20M -XX:+PrintGC OOMTest
输出结果：
[GC 836K->568K(19456K), 0.0234380 secs]
[GC 568K->536K(19456K), 0.0009309 secs]
[Full GC 536K->463K(19456K), 0.0085383 secs]
[GC 463K->463K(19456K), 0.0003160 secs]
[Full GC 463K->452K(19456K), 0.0062013 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at com.demo3.OOMTest.main(OOMTest.java:10)

4.持久带溢出(OutOfMemoryError: PermGen space)

持久带(PermGen space)是JVM实现方法区的地方，因此该异常主要设计到方法区和方法区中的常量池。

1）.方法区

方法区（Method Area）不仅包含常量池，而且还保存了所有已加载类的元信息。当加载的类过多，方法区放不下所有已加载的元信息时，就会抛出OutOfMemoryError: PermGen space异常。主要有以下场景：

使用一些应用服务器的热部署的时候，我们就会遇到热部署几次以后发现内存溢出了，这种情况就是因为每次热部署的后，原来的class没有被卸载掉。

如果应用程序本身比较大，涉及的类库比较多，但是我们分配给持久带的内存（通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来设置）比较小的时候也可能出现此种问题。

2）.常量池

常量池（Runtime Constrant Pool）专门放置源代码中的符号信息。常量池中除了包含代码中所定义的各种基本类型（如int、long等等）和对象型（如String及数组）的常量值外，还包含一些以文本形式出现的符号引用，比如：类和接口的全限定名；字段的名称和描述符；方法的名称和描述符等。

当常量池需要的空间大于常量池的实际空间时，也会抛出OutOfMemoryError: PermGen space异常。

例如，Java中字符串常量是放在常量池中的，String.intern()这个方法运行的时候，会检查常量池中是否存和本字符串相等的对象，如果存在直接返回对常量池中对象的引用，不存在的话，先把此字符串加入常量池，然后再返回字符串的引用。那么可以通过String.intern方法来模拟一下运行时常量区的溢出.

5.线程栈

栈（JVM Stack）存放主要是栈帧( 局部变量表, 操作数栈 , 动态链接 , 方法出口信息 )的地方。注意区分栈和栈帧：栈里包含栈帧。

与线程栈相关的内存异常有两个：

StackOverflowError(方法调用层次太深，内存不够新建栈帧)

OutOfMemoryError（线程太多，内存不够新建线程）

1）.java.lang.StackOverflowError

package com.demo3;
 
public class OOMTest {
    public void stackOverFlowMethod() {
        stackOverFlowMethod();
    }
 
    public static void main(String... args) {
        OOMTest oom = new OOMTest();
        oom.stackOverFlowMethod();
    }
}
运行结果：
	Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at com.demo3.OOMTest.stackOverFlowMethod(OOMTest.java:5)
    at com.demo3.OOMTest.stackOverFlowMethod(OOMTest.java:5)
    at com.demo3.OOMTest.stackOverFlowMethod(OOMTest.java:5)
    at com.demo3.OOMTest.stackOverFlowMethod(OOMTest.java:5)
    at com.demo3.OOMTest.stackOverFlowMethod(OOMTest.java:5)
    at com.demo3.OOMTest.stackOverFlowMethod(OOMTest.java:5)
    at com.demo3.OOMTest.stackOverFlowMethod(OOMTest.java:5)
    at com.demo3.OOMTest.stackOverFlowMethod(OOMTest.java:5)
    .....