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JVM:我就想知道我是怎么沒的

云計算 虛擬化
我們都知道 Java 程序都是跑在 JVM 上的,一旦 JVM 有什么風吹草動,必然會影響服務的穩(wěn)定性。幸運的話,服務會發(fā)生抖動,可能有部分請求出現(xiàn)延遲或異常。不幸的話,JVM 直接崩潰,導致服務完全中斷。

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我們都知道 Java 程序都是跑在 JVM 上的,一旦 JVM 有什么風吹草動,必然會影響服務的穩(wěn)定性。幸運的話,服務會發(fā)生抖動,可能有部分請求出現(xiàn)延遲或異常。不幸的話,JVM 直接崩潰,導致服務完全中斷。

這可不是什么好事,與 JVM 一起崩潰的,除了服務,還有我們的心態(tài)。

所謂的 JVM 崩潰,一般情況下就是指內(nèi)存溢出,也就是 OutOfMemoryError 和 StackOverflowError。另外還有一種情況就是堆外內(nèi)存占用過大,這種情況會導致 JVM 所在機器的內(nèi)存被撐爆,從而導致機器重啟等異常情況發(fā)生,我們把這種情況叫做內(nèi)存泄漏。

那什么情況下會造成 JVM 崩潰呢,有哪幾種類型的崩潰呢?俗話說,知己知彼,方能百戰(zhàn)不殆。了解了發(fā)生崩潰的原因,才能更好的解決 JVM 崩潰問題。

 

首先還是放出 JVM 內(nèi)存模型圖,JVM 要理解起來是很抽象的,借助下面這張圖可以具象化的了解 JVM 內(nèi)存模型,而發(fā)生溢出的幾個部分都可以在圖中找到。在 JDK 8 中,永久代已經(jīng)不存在了,取而代之的是元空間(metaspace)。

 

 

 

 

下面就以 Hotspot JDK 8 為背景,看一下 JVM 內(nèi)存溢出和內(nèi)存泄漏的幾種情況。

首先設置 JVM 啟動參數(shù),限制堆空間大小,堆空間設置為 20M,其中新生代10M,元空間10M,并指定垃圾收集算法采用 CMS 算法。之后的例子都會使用這套參數(shù)。

  1. -XX:+UseConcMarkSweepGC 
  2. -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly 
  3. -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70 
  4. -XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses 
  5. -XX:+CMSClassUnloadingEnabled 
  6. -XX:+ParallelRefProcEnabled 
  7. -XX:+CMSScavengeBeforeRemark 
  8. -verbose:gc 
  9. -Xms20M 
  10. -Xmx20M 
  11. -Xmn10M 
  12. -XX:+PrintGCDetails 
  13. -XX:SurvivorRatio=8 
  14. -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 
  15. -XX:MetaspaceSize=10M 
  16. -XX:MaxMetaspaceSize=10M 
  17. -XX:HeapDumpPath=/Users/fengzheng/jvmlog 

堆溢出

堆溢出,應該是最常見的一種內(nèi)存溢出的場景了。JVM 中分配絕大多數(shù)對象實例和數(shù)組都存在堆上,另外堆內(nèi)存也是垃圾收集器工作的主要戰(zhàn)場。

當我們的 Java 程序啟動的時候,會指定堆空間的大小,新建對象和數(shù)組的時候會分配到堆上面,當新對象申請空間的時候,如果堆內(nèi)存不夠了,就會發(fā)生垃圾收集動作,大多數(shù)時候會發(fā)生在新生代,叫做 Minor GC。當新生代回收完成,空間仍然不夠的話,會發(fā)生一次 FullGC。FullGC 后,空間仍然不夠,此時就會發(fā)生 OOM 錯誤,也就是堆溢出。

模擬一下這個場景

  1. private final static int _1K = 1024; 
  2.  
  3. public static void main(String[] args){ 
  4.   List<byte[]> byteList = new ArrayList<>(); 
  5.   quietlyWaitingForCrashHeap(byteList); 
  6.  
  7. public static void quietlyWaitingForCrashHeap(List<byte[]> byteList) { 
  8.   try { 
  9.     while (true) { 
  10.       byteList.add(new byte[500 * _1K]); 
  11.       //Thread.sleep(1000); 
  12.       Thread.sleep(100); 
  13.     } 
  14.   } catch (InterruptedException e) { 
  15.  
  16.   } 

上面的方法會持續(xù)的向List

下面是程序運行之后的結(jié)果,經(jīng)過垃圾回收最終還是沒有多余的空間,從而發(fā)生 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space異常。

image-20201016211017630

 

發(fā)生堆內(nèi)存溢出的根本原因就是使用中的對象大小超過了堆內(nèi)存大小。

堆內(nèi)存空間設置的太小,要根據(jù)預估的實際使用堆大小合理的設置堆空間設置。

程序有漏洞導致,某些靜態(tài)變量持續(xù)的增大,例如緩存數(shù)據(jù)錯誤的初始化,導致緩存無止境的增加,最終導致堆內(nèi)存溢出。針對這種情況,恐怕沒什么好方法,除了做好測試之外,就是在問題發(fā)生后做好日志分析。

棧溢出

虛擬機棧是用來存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息的,每調(diào)用一個 Java 方法就會為此方法在虛擬機棧中生成棧幀。

棧除了包括虛擬機棧之外,還包括本地方法棧,當調(diào)用的方法是本地方法(例如 C 語言實現(xiàn)的方法)時,會用到本地方法棧。不過,在 HotSpot 虛擬機中,虛擬機棧和本地方法棧被合二為一了。

模擬棧溢出場景

  1. public static void main(String[] args){ 
  2.   stackOverflow(); 
  3.  
  4. /** 
  5. * stackoverflow 
  6. */ 
  7. public static void stackOverflow() { 
  8.   stackOverflow(); 

在上面的代碼中,stackOverflow() 方法的調(diào)用是一個無限遞歸的過程,沒有遞歸出口。前面說了,每調(diào)用一個方法就會在虛擬機棧中生成棧幀,無限的遞歸,必定造成無限的生成棧幀,最后導致棧空間被填滿,從而發(fā)生溢出。

image-20201019122447325

 

上面模擬了最常見的一種狀況,產(chǎn)生這種狀況的原因很可能是由于程序 bug 導致的,一般來說,遞歸必定會有遞歸出口,如果由于某些原因?qū)е铝顺绦蛟趫?zhí)行的過程中無法達到出口條件,那就會造成這種異常。還有就是循環(huán)體,循環(huán)體的循環(huán)次數(shù)如果過大,也有可能出現(xiàn)棧溢出。

另外還可能是其他比較不容易出現(xiàn)的原因,比如創(chuàng)建的線程數(shù)過多,線程創(chuàng)建要在虛擬機棧中分配空間,如果創(chuàng)建線程過多,可能會出現(xiàn) OutOfMemoryError異常,但是一般來說,都會用線程池的方法代替手動創(chuàng)建線程的方式,所以,這種情況不容易出現(xiàn)。

元空間溢出用于存儲已被虛擬機加載的類信息,常量,靜態(tài)變量,即時編譯(JIT)后的代碼等數(shù)據(jù),在 JDK 8 中,已經(jīng)用 metaSpace 代替了永久代的。默認情況下 metaSpace 的大小是沒有限制的,也就是所在服務器的實際內(nèi)存大小,但是,一般情況下,最好還是設置元空間的大小。

一般在產(chǎn)生大量動態(tài)生成類的情景中,可能會出現(xiàn)元空間的內(nèi)存溢出。

模擬元空間溢出

  1. public static void main(String[] args){ 
  2.   List<byte[]> byteList = new ArrayList<>(); 
  3.   //quietlyWaitingForCrashHeap(byteList); 
  4.   // stackOverflow(); 
  5.   methodAreaOverflow(); 
  6.  
  7. public static void methodAreaOverflow() { 
  8.   int i = 0; 
  9.   while (true) { 
  10.     Enhancer enhancer = new Enhancer(); 
  11.     enhancer.setUseCache(false); 
  12.     enhancer.setSuperclass(MethodOverflow.class); 
  13.     enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() { 
  14.       @Override 
  15.       public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable { 
  16.         return methodProxy.invokeSuper(o, objects); 
  17.       } 
  18.     }); 
  19.     enhancer.create(); 
  20.     System.out.println(++i); 
  21.   } 

通過 CGLIB 的方式動態(tài)的創(chuàng)建很多個動態(tài)類,這樣一來,類信息就會越來越多的存到元空間,從而導致元空間溢出。

image-20201019163227576

 

例如在使用 Spring、 MyBatis 等技術(shù)框架的時候會動態(tài)創(chuàng)建 Bean 實例類,另外,Spring AOP 也會產(chǎn)生動態(tài)代理類。

堆外內(nèi)存溢出

大多數(shù)情況下,內(nèi)存都會在 JVM 堆內(nèi)存中分配,很少情況下需要直接在堆外分配內(nèi)存空間。使用堆外內(nèi)存的幾個好處是:

  • 在進程間可以共享,減少虛擬機間的復制
  • 對垃圾回收停頓的改善:如果應用某些長期存活并大量存在的對象,經(jīng)常會觸發(fā)YGC或者FullGC,可以考慮把這些對象放到堆外。過大的堆會影響Java應用的性能。如果使用堆外內(nèi)存的話,堆外內(nèi)存是直接受操作系統(tǒng)管理( 而不是虛擬機 )。這樣做的結(jié)果就是能保持一個較小的堆內(nèi)內(nèi)存,以減少垃圾收集對應用的影響。
  • 在某些場景下可以提升程序I/O操縱的性能。少去了將數(shù)據(jù)從堆內(nèi)內(nèi)存拷貝到堆外內(nèi)存的步驟。

通常在需要大量頻繁的進行 IO 操作的時候會用到堆外內(nèi)存,例如 Netty、RocketMQ 等使用到了堆外內(nèi)存,目的就是為了加快速度。

所以,在出現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)存占用過大的情況時,排查堆棧無果后,可以看一下堆外內(nèi)存的使用情況,看看是不是堆外內(nèi)存溢出了。

總結(jié)

事前做好配置

JVM 問題本身就是比較抽象和難以直觀發(fā)現(xiàn)的,所以在項目上線前除了做好代碼邏輯的測試外,還要對 JVM 參數(shù)進行合理配置,根據(jù)應用程序的體量和特點選擇好合適的參數(shù),比如堆棧大小、垃圾收集器種類等等。

另外,垃圾收集日志一定要有保留,還有就是發(fā)生內(nèi)存溢出時要保存 dump 文件。

事中做好監(jiān)控

在程序上線運行的過程中,做好 JVM 的監(jiān)控工作,比如用 Spring Admin 這種比較輕量的監(jiān)控工具,或者大型項目用 Cat、SkyWallking 等這些分布式鏈路監(jiān)控系統(tǒng)。

事后做好現(xiàn)場保護和分析

 

再合理的參數(shù)配置和監(jiān)控平臺,也難免不發(fā)生異常,這也是很正常的,不出現(xiàn)異常才有問題好吧。在發(fā)生異常之后,要及時的保留現(xiàn)場,如果是多實例應用,可以暫時將發(fā)生異常的實例做下線處理,然后再進行問題的排查。如果是單實例的服務,那要及時的確認最新的日志和dump已經(jīng)留存好,確認完成后,再采取錯誤讓服務重啟。

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責任編輯:武曉燕 來源: 古時的風箏
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