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Java方法区和运行时常量池溢出问题分析

由于运行时常量池是方法区的一部分,所以这两个区域的溢出测试可以放到一起进行。前面曾经提到HotSpot从JDK 7开始逐步“去永久代”的计划,并在JDK 8中完全使用元空间来代替永久代的背景故事,在此我们就以测试代码来观察一下,使用“永久代”还是“元空间”来实现方法区,对程序有什么实际的影响。

String::intern()是一个本地方法,它的作用是如果字符串常量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对象的引用;否则,会将此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。在JDK 6或更早之前的HotSpot虚拟机中,常量池都是分配在永久代中,我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制永久代的大小,即可间接限制其中常量池的容量

Java方法区和运行时常量池溢出问题分析
/**
 * VM Args:-XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
// 使用Set保持着常量池引用,避免Full GC回收常量池行为
        Set<String> set = new HashSet<String>();
// 在short范围内足以让6MB的PermSize产生OOM了
        short i = 0;
        while (true) {
            set.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.String.intern(Native Method)
at org.fenixsoft.oom.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java: 18)

从运行结果中可以看到,运行时常量池溢出时,在OutOfMemoryError异常后面跟随的提示信息是“PermGen space”,说明运行时常量池的确是属于方法区(即JDK 6的HotSpot虚拟机中的永久代)的一部分。

而使用JDK 7或更高版本的JDK来运行这段程序并不会得到相同的结果,无论是在JDK 7中继续使用-XX:MaxPermSize参数或者在JDK 8及以上版本使用-XX:MaxMeta-spaceSize参数把方法区容量同样限制在6MB,也都不会重现JDK 6中的溢出异常,循环将一直进行下去,永不停歇 [1] 。出现这种变化,是因为自JDK 7起,原本存放在永久代的字符串常量池被移至Java堆之中,所以在JDK 7及以上版
本,限制方法区的容量对该测试用例来说是毫无意义的。这时候使用-Xmx参数限制最大堆到6MB就能够看到以下两种运行结果之一,具体取决于哪里的对象分配时产生了溢出:

// OOM异常一:
Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.base/java.lang.Integer.toString(Integer.java:440)
at java.base/java.lang.String.valueOf(String.java:3058)
at RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:12)
// OOM异常二:
Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.base/java.util.HashMap.resize(HashMap.java:699)
at java.base/java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:658)
at java.base/java.util.HashMap.put(HashMap.java:607)
at java.base/java.util.HashSet.add(HashSet.java:220)
at RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java from InputFile-Object:14)

关于这个字符串常量池的实现在哪里出现问题,还可以引申出一些更有意思的影响,具体见代码

String.intern()返回引用的测试

public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);
        String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }
}

这段代码在JDK 6中运行,会得到两个false,而在JDK 7中运行,会得到一个true和一个false。产生差异的原因是,在JDK 6中,intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代的字符串常量池中存储,返回的也是永久代里面这个字符串实例的引用,而由StringBuilder创建的字符串对象实例在Java堆上,所以必然不可能是同一个引用,结果将返回false。

而JDK 7(以及部分其他虚拟机,例如JRockit)的intern()方法实现就不需要再拷贝字符串的实例到永久代了,既然字符串常量池已经移到Java堆中,那只需要在常量池里记录一下首次出现的实例引用即可,因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串实例就是同一个。而对str2比较返
回false,这是因为“java” [2] 这个字符串在执行String-Builder.toString()之前就已经出现过了,字符串常量池中已经有它的引用,不符合intern()方法要求“首次遇到”的原则,“计算机软件”这个字符串则是首次出现的,因此结果返回true。

我们再来看看方法区的其他部分的内容,方法区的主要职责是用于存放类型的相关信息,如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这部分区域的测试,基本的思路是运行时产生大量的类去填满方法区,直到溢出为止。虽然直接使用Java SE API也可以动态产生类(如反射时的
GeneratedConstructorAccessor和动态代理等),但在本次实验中操作起来比较麻烦。在代码清单2-8里笔者借助了CGLib [3] 直接操作字节码运行时生成了大量的动态类。

值得特别注意的是,我们在这个例子中模拟的场景并非纯粹是一个实验,类似这样的代码确实可能会出现在实际应用中:当前的很多主流框架,如Spring、Hibernate对类进行增强时,都会使用到CGLib这类字节码技术,当增强的类越多,就需要越大的方法区以保证动态生成的新类型可以载入内存。另外,很多运行于Java虚拟机上的动态语言(例如Groovy等)通常都会持续创建新类型来支撑语
言的动态性,随着这类动态语言的流行,与代码清单2-9相似的溢出场景也越来越容易遇到。

借助CGLib使得方法区出现内存溢出异常

/**
* VM Args-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
* @author zzm
*/
public class JavaMethodAreaOOM {
public static void main(String[] args) {
while (true) {
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
return proxy.invokeSuper(obj, args);
}
});
enhancer.create();
}
}
static class OOMObject {
}
}

在JDK 7中的运行结果:

Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(ClassLoader.java:632)
at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:616)
… 8 more

方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常,一个类如果要被垃圾收集器回收,要达成的条件是比较苛刻的。在经常运行时生成大量动态类的应用场景里,就应该特别关注这些类的回收状况。这类场景除了之前提到的程序使用了CGLib字节码增强和动态语言外,常见的还有:大量JSP或动态产生JSP文件的应用(JSP第一次运行时需要编译为Java类)、基于OSGi的应用(即使是同一个类文件,被不同的加载器加载也会视为不同的类)等。

在JDK 8以后,永久代便完全退出了历史舞台,元空间作为其替代者登场。在默认设置下,前面列举的那些正常的动态创建新类型的测试用例已经很难再迫使虚拟机产生方法区的溢出异常了。不过为了让使用者有预防实际应用里出现类似于代码清单2-9那样的破坏性的操作,HotSpot还是提供了一些参数作为元空间的防御措施,主要包括:

·-XX:MaxMetaspaceSize:设置元空间最大值,默认是-1,即不限制,或者说只受限于本地内存大小。

·-XX:MetaspaceSize:指定元空间的初始空间大小,以字节为单位,达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载,同时收集器会对该值进行调整:如果释放了大量的空间,就适当降低该值;如果释放了很少的空间,那么在不超过-XX:MaxMetaspaceSize(如果设置了的话)的情况下,适当提高该值。

·-XX:MinMetaspaceFreeRatio:作用是在垃圾收集之后控制最小的元空间剩余容量的百分比,可减少因为元空间不足导致的垃圾收集的频率。

类似的还有-XX:Max-MetaspaceFreeRatio,用于控制最大的元空间剩余容量的百分比

[1] 正常情况下是永不停歇的,如果机器内存紧张到连几MB的Java堆都挤不出来的这种极端情况就不讨论了。
[2] 它是在加载sun.misc.Version这个类的时候进入常量池的。
[3] CGLib开源项目:http://cglib.sourceforge.net/。

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