【JVM性能优化】服务发生OOM故障定位方案
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2021-06-23 08:35
前提概要
对于JVM服务而言出现了OOM(Out Of Memory)问题，并且对其进行相关的解决是作为一个Java技术栈人员必备的实战能力。在此总结了一些相对通用的方案，希望能帮助到大家。
分析原因
某Java服务出现了OOM，最常见的原因为：
有可能是内存分配确实过小，而正常业务使用了大量内存（正常现象）
某一个对象被频繁申请，却没有释放，内存不断泄漏，导致内存耗尽（内存泄漏、代码问题）
某一个资源被频繁申请，系统资源耗尽，例如：不断创建线程，不断发起网络连接（线程不断创建、代码问题）
排查方案
确认是不是内存本身就分配过小
方法：jmap -heap pid
如上图，可以查看新生代，老生代堆内存的分配大小以及使用情况，看是否本身分配过小。
找到最耗内存的对象
方法：jmap -histo:live 10765 | more
如上图，输入命令后，会以表格的形式显示存活对象的信息，并按照所占内存大小排序：
实例数
所占内存大小
类名
是不是很直观？对于实例数较多，占用内存大小较多的实例/类，相关的代码就要针对性review了。
上图中占内存最多的对象是RingBufferLogEvent，共占用内存18M，属于正常使用范围。
如果发现某类对象占用内存很大（例如几个G），很可能是类对象创建太多，且一直未释放。例如：
申请完资源后，未调用close()或dispose()释放资源
消费者消费速度慢（或停止消费了），而生产者不断往队列中投递任务，导致队列中任务累积过多
线上执行该命令会强制执行一次fullgc。另外还可以dump内存进行分析。
确认是否是资源耗尽
工具：
pstree
netstat
查看进程创建的线程数，以及网络连接数，如果资源耗尽，也可能出现OOM。
这里介绍另一种方法，通过
/proc/${PID}/fd
/proc/${PID}/task
复制代码可以分别查看句柄详情和线程数。
例如，某一台线上服务器的sshd进程PID是9339，查看
ll /proc/9339/fd
ll /proc/9339/task
复制代码如上图，sshd共占用了四个句柄
0 -> 标准输入
1 -> 标准输出
2 -> 标准错误输出
3 -> socket（容易想到是监听端口）
sshd只有一个主线程PID为9339，并没有多线程。
所以，只要
ll /proc/${PID}/fd | wc -l
ll /proc/${PID}/task | wc -l （效果等同pstree -p | wc -l）
复制代码就能知道进程打开的句柄数和线程数。
Java内存溢出OOM
JVM中常见的两个错误
StackoverFlowError ：栈溢出
OutOfMemoryError: java heap space：堆溢出
除此之外，还有以下的错误
java.lang.StackOverflowError
java.lang.OutOfMemoryError：java heap space
java.lang.OutOfMemoryError：GC overhead limit exceeeded
java.lang.OutOfMemoryError：Direct buffer memory
java.lang.OutOfMemoryError：unable to create new native thread
java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace
复制代码OutOfMemoryError和StackOverflowError是属于Error，不是Exception
StackoverFlowError
堆栈溢出，我们有最简单的一个递归调用，就会造成堆栈溢出，也就是深度的方法调用栈一般是512K，不断的深度调用，直到栈被撑破
public class StackOverflowErrorDemo {
public static void main(String[] args) {
stackOverflowError();
}
/**
* 栈一般是512K，不断的深度调用，直到栈被撑破
* Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
*/
private static void stackOverflowError() {
stackOverflowError();
}
}
复制代码运行结果
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at com.moxi.interview.study.oom.StackOverflowErrorDemo.stackOverflowError(StackOverflowErrorDemo.java:17)
复制代码OutOfMemoryError：java heap space
创建了很多对象，导致堆空间不够存储
public class JavaHeapSpaceDemo {
public static void main(String[] args) {
// 堆空间的大小 -Xms10m -Xmx10m
// 创建一个 80M的字节数组
byte [] bytes = new byte[80 * 1024 * 1024];
}
}
复制代码我们创建一个80M的数组，会直接出现Java heap space
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
复制代码GC overhead limit exceeded
GC回收时间过长时会抛出OutOfMemoryError，过长的定义是，超过了98%的时间用来做GC，并且回收了不到2%的堆内存
为了更快的达到效果，我们首先需要设置JVM启动参数
-Xms10m -Xmx10m -XX:+PrintGCDetails -XX:MaxDirectMemorySize=5m
复制代码异常出现的步骤就是，我们不断的像list中插入String对象，直到启动GC回收
public class GCOverheadLimitDemo {
public static void main(String[] args) {
int i = 0;
List<String> list = new ArrayList<>();
try {
while(true) {
//1.6时intern()方法发现字符串常量池(存储永久代)没有就复制,物理拷贝
//1.7时intern()方法发现字符串常量池(存储堆)没有就在保存地址值映射实际堆内存对象
list.add(String.valueOf(++i).intern());
}
} catch (Exception e) {
System.out.println("***************i:" + i);
e.printStackTrace();
throw e;
} finally {
}
}
}
复制代码运行结果
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 2047K->2047K(2560K)] [ParOldGen: 7106K->7106K(7168K)] 9154K->9154K(9728K), [Metaspace: 3504K->3504K(1056768K)], 0.0311093 secs] [Times: user=0.13 sys=0.00, real=0.03 secs]
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 2047K->0K(2560K)] [ParOldGen: 7136K->667K(7168K)] 9184K->667K(9728K), [Metaspace: 3540K->3540K(1056768K)], 0.0058093 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]
Heap
PSYoungGen total 2560K, used 114K [0x00000000ffd00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
eden space 2048K, 5% used [0x00000000ffd00000,0x00000000ffd1c878,0x00000000fff00000)
from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
to space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
ParOldGen total 7168K, used 667K [0x00000000ff600000, 0x00000000ffd00000, 0x00000000ffd00000)
object space 7168K, 9% used [0x00000000ff600000,0x00000000ff6a6ff8,0x00000000ffd00000)
Metaspace used 3605K, capacity 4540K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 399K, capacity 428K, committed 512K, reserved 1048576K
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded
at java.lang.Integer.toString(Integer.java:403)
at java.lang.String.valueOf(String.java:3099)
at com.moxi.interview.study.oom.GCOverheadLimitDemo.main(GCOverheadLimitDemo.java:18)
复制代码我们能够看到 多次Full GC，并没有清理出空间，在多次执行GC操作后，就抛出异常 GC overhead limit
Direct buffer memory
Netty + NIO：这是由于NIO引起的
NIO程序的时候经常会使用ByteBuffer来读取或写入数据，这是一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存
然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。
ByteBuffer.allocate(capability)：第一种方式是分配JVM堆内存，属于GC管辖范围，由于需要拷贝所以速度相对较慢
ByteBuffer.allocteDirect(capability)：第二种方式是分配OS本地内存，不属于GC管辖范围，由于不需要内存的拷贝，所以速度相对较快
如果不断分配本地内存，堆内存很少使用，那么JVM就不需要执行GC，DirectByteBuffer对象就不会被回收，这时候堆内存充足，但本地内存可能已经使用光了，再次尝试分配本地内存就会出现OutOfMemoryError，那么程序就崩溃了。
一句话说：本地内存不足，但是堆内存充足的时候，就会出现这个问题
我们使用 -XX:MaxDirectMemorySize=5m 配置能使用的堆外物理内存为5M
-Xms20m -Xmx20m -XX:+PrintGCDetails -XX:MaxDirectMemorySize=5m
复制代码然后我们申请一个6M的空间
// 只设置了5M的物理内存使用，但是却分配 6M的空间 ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(6 * 1024 * 1024); 这个时候，运行就会出现问题了
配置的maxDirectMemory：5.0MB
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 2030K->488K(2560K)] 2030K->796K(9728K), 0.0008326 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 488K->0K(2560K)] [ParOldGen: 308K->712K(7168K)] 796K->712K(9728K), [Metaspace: 3512K->3512K(1056768K)], 0.0052052 secs] [Times: user=0.09 sys=0.00, real=0.00 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
at java.nio.Bits.reserveMemory(Bits.java:693)
at java.nio.DirectByteBuffer.<init>(DirectByteBuffer.java:123)
at java.nio.ByteBuffer.allocateDirect(ByteBuffer.java:311)
at com.moxi.interview.study.oom.DIrectBufferMemoryDemo.main(DIrectBufferMemoryDemo.java:19)
复制代码unable to create new native thread
不能够创建更多的新的线程了，也就是说创建线程的上限达到了
在高并发场景的时候，会应用到
高并发请求服务器时，经常会出现如下异常java.lang.OutOfMemoryError:unable to create new native thread，准确说该 native thread 异常与对应的平台有关
导致原因：
应用创建了太多线程，一个应用进程创建多个线程，超过系统承载极限
服务器并不允许你的应用程序创建这么多线程，Linux系统默认运行单个进程可以创建的线程为1024个，如果应用创建超过这个数量，就会报 java.lang.OutOfMemoryError:unable to create new native thread
解决方法
想办法降低你应用程序创建线程的数量，分析应用是否真的需要创建这么多线程，如果不是，改代码将线程数降到最低
对于有的应用，确实需要创建很多线程，远超过linux系统默认1024个线程限制，可以通过修改linux服务器配置，扩大linux默认限制
public class UnableCreateNewThreadDemo {
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; ; i++) {
System.out.println("************** i = " + i);
new Thread(() -> {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(Integer.MAX_VALUE);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, String.valueOf(i)).start();
}
}
}
复制代码这个时候，就会出现下列的错误，线程数大概在 900多个
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to cerate new native thread
复制代码如何查看线程数
ulimit -u
复制代码Metaspace
元空间内存不足，Matespace元空间应用的是本地内存
-XX:MetaspaceSize 的初始化大小为20M
元空间是什么
元空间就是我们的方法区，存放的是类模板，类信息，常量池等
Metaspace是方法区HotSpot中的实现，它与持久代最大的区别在于：Metaspace并不在虚拟内存中，而是使用本地内存，也即在java8中，class metadata（the virtual machines internal presentation of Java class），被存储在叫做Metaspace的native memory
永久代（java8后背元空间Metaspace取代了）存放了以下信息：
虚拟机加载的类信息
常量池
静态变量
即时编译后的代码
模拟Metaspace空间溢出，我们不断生成类 往元空间里灌输，类占据的空间总会超过Metaspace指定的空间大小
代码 在模拟异常生成时候，因为初始化的元空间为20M，因此我们使用JVM参数调整元空间的大小，为了更好的效果
-XX:MetaspaceSize=8m -XX:MaxMetaspaceSize=8m
复制代码代码如下：
public class MetaspaceOutOfMemoryDemo {
// 静态类
static class OOMTest {
}
public static void main(final String[] args) {
// 模拟计数多少次以后发生异常
int i =0;
try {
while (true) {
i++;
// 使用Spring的动态字节码技术
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(OOMTest.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
@Override
public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
return methodProxy.invokeSuper(o, args);
}
});
}
} catch (Exception e) {
System.out.println("发生异常的次数:" + i);
e.printStackTrace();
} finally {
}
}
}
复制代码会出现以下错误：
发生异常的次数: 201
java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace
复制代码注意
在JDK1.7之前:永久代是方法区的实现，存放了运行时常量池、字符串常量池和静态变量等。
在JDK1.7:永久代是方法区的实现，将字符串常量池和静态变量等移出至堆内存。运行时常量池等剩下的还再永久代(方法区)
在JDK1.8及以后：永久代被元空间替代，相当于元空间实现方法区，此时字符串常量池和静态变量还在堆，运行时常量池还在方法区(元空间)，元空间使用的是直接内存。
-XX:MetaspaceSize=N//设置Metaspace的初始（和最小大小）
-XX:MaxMetaspaceSize=N//设置Metaspace的最大大小 与永久代很大的不同就是，如果不指定大小的话，随着更多类的创建，虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。
作者：李浩宇Alex
链接：https://juejin.cn/post/6975366295701159967
来源：掘金
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