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JVM内存溢出

不忘初心  收录于  类别 JAVA
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警告
本文最后更新于 2022-09-21，文中内容可能已过时。

摘要

当堆内存（Heap Space）没有足够空间存放新创建的对象时，就会抛出 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 错误（根据实际生产经验，可以对程序日志中的 OutOfMemoryError 配置关键字告警，一经发现，立即处理）。

Java heap space 错误产生的常见原因可以分为以下几类：

  • 请求创建一个超大对象，通常是一个大数组。
  • 超出预期的访问量/数据量，通常是上游系统请求流量飙升，常见于各类促销/秒杀活动，可以结合业务流量指标排查是否有尖状峰值。
  • 过度使用终结器（Finalizer），该对象没有立即被 GC。
  • 内存泄漏（Memory Leak），大量对象引用没有释放，JVM 无法对其自动回收，常见于使用了 File 等资源没有回收。

针对大部分情况，通常只需要通过 -Xmx 参数调高 JVM 堆内存空间即可。如果仍然没有解决，可以参考以下情况做进一步处理：

  • 如果是超大对象，可以检查其合理性，比如是否一次性查询了数据库全部结果，而没有做结果数限制。
  • 如果是业务峰值压力，可以考虑添加机器资源，或者做限流降级。
  • 如果是内存泄漏，需要找到持有的对象，修改代码设计，比如关闭没有释放的连接。

当 Java 进程花费 98% 以上的时间执行 GC，但只恢复了不到 2% 的内存，且该动作连续重复了 5 次，就会抛出 java.lang.OutOfMemoryError:GC overhead limit exceeded 错误。简单地说，就是应用程序已经基本耗尽了所有可用内存， GC 也无法回收。

此类问题的原因与解决方案跟 Java heap space 非常类似，可以参考上文。

该错误表示永久代（Permanent Generation）已用满，通常是因为加载的 class 数目太多或体积太大。

永久代存储对象主要包括以下几类：

  • 加载/缓存到内存中的 class 定义，包括类的名称，字段，方法和字节码；
  • 常量池；
  • 对象数组/类型数组所关联的 class；
  • JIT 编译器优化后的 class 信息。

PermGen 的使用量与加载到内存的 class 的数量/大小正相关。

根据 Permgen space 报错的时机，可以采用不同的解决方案，如下所示：

  • 程序启动报错，修改 -XX:MaxPermSize 启动参数，调大永久代空间。
  • 应用重新部署时报错，很可能是没有应用没有重启，导致加载了多份 class 信息，只需重启 JVM 即可解决。
  • 运行时报错，应用程序可能会动态创建大量 class，而这些 class 的生命周期很短暂，但是 JVM 默认不会卸载 class，可以设置 -XX:+CMSClassUnloadingEnabled 和 -XX:+UseConcMarkSweepGC 这两个参数允许 JVM 卸载 class。

如果上述方法无法解决，可以通过 jmap 命令 dump 内存对象 jmap -dump:format=b,file=dump.hprof <process-id> ，然后利用 Eclipse MAT 功能逐一分析开销最大的 classloader 和重复 class。

JDK 1.8 使用 Metaspace 替换了永久代（Permanent Generation），该错误表示 Metaspace 已被用满，通常是因为加载的 class 数目太多或体积太大。

此类问题的原因与解决方法跟 Permgen space 非常类似，可以参考上文。需要特别注意的是调整 Metaspace 空间大小的启动参数为 -XX:MaxMetaspaceSize。

每个 Java 线程都需要占用一定的内存空间，当 JVM 向底层操作系统请求创建一个新的 native 线程时，如果没有足够的资源分配就会报此类错误。

JVM 向 OS 请求创建 native 线程失败，就会抛出 Unable to create new native thread，常见的原因包括以下几类：

  • 线程数超过操作系统最大线程数 ulimit 限制。
  • 线程数超过 kernel.pid_max（只能重启）。
  • native 内存不足。

该问题发生的常见过程主要包括以下几步：

  1. JVM 内部的应用程序请求创建一个新的 Java 线程；
  2. JVM native 方法代理了该次请求，并向操作系统请求创建一个 native 线程；
  3. 操作系统尝试创建一个新的 native 线程，并为其分配内存；
  4. 如果操作系统的虚拟内存已耗尽，或是受到 32 位进程的地址空间限制，操作系统就会拒绝本次 native 内存分配；
  5. JVM 将抛出 java.lang.OutOfMemoryError: Unable to create new native thread 错误。
  • 升级配置，为机器提供更多的内存；
  • 降低 Java Heap Space 大小；
  • 修复应用程序的线程泄漏问题；
  • 限制线程池大小；
  • 使用 -Xss 参数减少线程栈的大小；
  • 调高 OS 层面的线程最大数：执行 ulimia -a 查看最大线程数限制，使用 ulimit -u xxx 调整最大线程数限制。
1
2
3

ulimit -a
.... 省略部分内容 .....
max user processes              (-u) 16384

该错误表示所有可用的虚拟内存已被耗尽。虚拟内存（Virtual Memory）由物理内存（Physical Memory）和交换空间（Swap Space）两部分组成。当运行时程序请求的虚拟内存溢出时就会报 Out of swap space? 错误。

该错误出现的常见原因包括以下几类：

  • 地址空间不足；
  • 物理内存已耗光；
  • 应用程序的本地内存泄漏（native leak），例如不断申请本地内存，却不释放。
  • 执行 jmap -histo:live <pid> 命令，强制执行 Full GC；如果几次执行后内存明显下降，则基本确认为 Direct ByteBuffer 问题。

根据错误原因可以采取如下解决方案：

  • 升级地址空间为 64 bit；
  • 使用 Arthas 检查是否为 Inflater/Deflater 解压缩问题，如果是，则显式调用 end 方法。
  • Direct ByteBuffer 问题可以通过启动参数 -XX:MaxDirectMemorySize 调低阈值。
  • 升级服务器配置/隔离部署，避免争用。

有一种内核作业（Kernel Job）名为 Out of Memory Killer，它会在可用内存极低的情况下“杀死”（kill）某些进程。OOM Killer 会对所有进程进行打分，然后将评分较低的进程“杀死”，具体的评分规则可以参考 Surviving the Linux OOM Killer。

不同于其他的 OOM 错误，Kill process or sacrifice child 错误不是由 JVM 层面触发的，而是由操作系统层面触发的。

默认情况下，Linux 内核允许进程申请的内存总量大于系统可用内存，通过这种“错峰复用”的方式可以更有效的利用系统资源。

然而，这种方式也会无可避免地带来一定的“超卖”风险。例如某些进程持续占用系统内存，然后导致其他进程没有可用内存。此时，系统将自动激活 OOM Killer，寻找评分低的进程，并将其“杀死”，释放内存资源。

JVM 限制了数组的最大长度，该错误表示程序请求创建的数组超过最大长度限制。

JVM 在为数组分配内存前，会检查要分配的数据结构在系统中是否可寻址，通常为 Integer.MAX_VALUE - 2。

此类问题比较罕见，通常需要检查代码，确认业务是否需要创建如此大的数组，是否可以拆分为多个块，分批执行。

Java 允许应用程序通过 Direct ByteBuffer 直接访问堆外内存，许多高性能程序通过 Direct ByteBuffer 结合内存映射文件（Memory Mapped File）实现高速 IO。

Direct ByteBuffer 的默认大小为 64 MB，一旦使用超出限制，就会抛出 Direct buffer memory 错误。

  • Java 只能通过 ByteBuffer.allocateDirect 方法使用 Direct ByteBuffer，因此，可以通过 Arthas 等在线诊断工具拦截该方法进行排查。
  • 检查是否直接或间接使用了 NIO，如 netty，jetty 等。
  • 通过启动参数 -XX:MaxDirectMemorySize 调整 Direct ByteBuffer 的上限值。
  • 检查 JVM 参数是否有 -XX:+DisableExplicitGC 选项，如果有就去掉，因为该参数会使 System.gc() 失效。
  • 检查堆外内存使用代码，确认是否存在内存泄漏；或者通过反射调用 sun.misc.Cleaner 的 clean() 方法来主动释放被 Direct ByteBuffer 持有的内存空间。
  • 内存容量确实不足，升级配置。

设置JAVA_OPTS="-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/tmp/heapdump.hprof"参数来生成快照，然后通过 jvisualvm 或者MAT等工具分析快照内容进行定位。通过这个参数是将发生OOM时的堆内存所有信息写入快照文件，也就是说，如果此时堆内存中有敏感信息的话，那就可能造成信息泄漏了。

Java8给HotSpot VM引入了Native Memory Tracking (NMT)特性，可以用于追踪JVM的内部内存使用，一般在压测调参的时候使用，生产环境不要引入，根据Java官方文档，开启NMT会有5%－10%的性能损耗。

1

-XX:NativeMemoryTracking=[off | summary | detail]
配置项说明
offNMT默认关闭
summary只收集汇总信息
detail收集每次调用的内存使用情况

如果是开启summary的，就只能使用summary

1

jcmd <pid> VM.native_memory [summary | detail | baseline | summary.diff | detail.diff | shutdown] [scale= KB | MB | GB]
参数说明
summaryPrint a summary aggregated by category.
detailPrint memory usage aggregated by categoryPrint virtual memory mapPrint memory usage aggregated by call site
baselineCreate a new memory usage snapshot to diff against.
summary.diffPrint a new summary report against the last baseline.
detail.diffPrint a new detail report against the last baseline.
shutdown关闭 NMT.

获取 NMT 的Summary Data

1

jcmd 进程id VM.native_memory summary scale=MB

获取 NMT 的detail Data

1

jcmd 进程id VM.native_memory detail scale=MB

3 ERROR: ptrace(PTRACE_ATTACH, ..)

Docker 中无法使用 jmap、jps、jinfo 等 JDK 工具。这类 JDK 工具依赖于 Linux 的 PTRACE_ATTACH，而 Docker 自 1.10 版本开始，默认的 seccomp 配置文件中禁用了 ptrace。

image-20220921095539358

解决方法：

运行容器时加入对应设置，使容器支持相关命令的使用 –cap-add=SYS_PTRACE

官方文档

更新于 2022-09-21  3221506
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