1 Java内存区域

为了深入理解 OutOfMemoryError，首先需要掌握 JVM 的内存区域划分。

• 堆内存（Heap Memory）：这是存储应用程序对象的主要区域，分为 Young 代和 Old 代。Young 代（Young Generation）：新创建的对象首先被分配在这里。Old 代（Old Generation）：经过多次垃圾回收后仍然存活的对象会被移动到这里。
• 非堆内存（Native Memory）：除了堆内存外，JVM 还有其他重要的内存区域。Metaspace（Metaspace）：用于存储类定义、方法定义和其他元数据。Java 8 引入了 Metaspace，取代了之前的 PermGen。线程（Threads）：每个线程都有自己的线程栈，用于存储方法调用信息和局部变量。代码缓存（Code Cache）：存储编译后的本地代码，以提高执行效率。直接缓冲区（Direct Buff）：用于高效 I/O 操作的 ByteBuffer 对象存储在这里。垃圾回收（Garbage Collection，GC）：用于垃圾回收器的内部数据结构和算法。JNI（Java Native Interface）：Java 本机接口，用于 Java 代码与其他语言编写的代码之间的互操作。杂项（misc）：特定于 JVM 实现或配置的内存区域，如内部 JVM 结构或保留的内存空间。

2 OutOfMemoryError 的类型

在 Java 应用程序中，OutOfMemoryError 是一类指示 JVM 内存耗尽的错误。OutOfMemoryError 类型有以下9种：

2.1 OutOfMemoryError: Java heap space

当应用程序创建的对象超出了 JVM 堆内存（即 Young 代和 Old 代）的分配限制（由 -Xmx 参数设置）时，会抛出此错误。这通常发生在以下情况：

• 流量突增：流量急剧增加时，可能会创建大量对象，超出堆内存限制。
• 内存泄漏：代码中的 bug 可能导致应用程序无意中保留对不再需要的对象的引用，导致内存泄漏，最终耗尽堆空间。

2.2 OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

当 JVM 在垃圾回收上花费的时间超过 98%，并且回收的堆内存不到 2% 时，会触发此错误。这种情况通常在以下情况下发生：

• 频繁的垃圾回收：如果 JVM 频繁进行垃圾回收但回收效果不佳，可能会导致此错误。
• 内存泄漏：与 Java heap space 类似，内存泄漏也可能导致此错误，因为不断增加的垃圾回收压力最终可能超过 JVM 的处理能力。

注意：在某些情况下，OutOfMemoryError: Java heap space 和 OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded 可能会交替出现，这取决于应用程序的内存使用模式和垃圾回收器的行为。

2.3 OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

当尝试创建的数组大小超出 JVM 允许的最大限制时，会触发 java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit 错误。数组的内存需求不仅包括数组本身，还包括其元素。在 Java 中，数组的大小受到 Integer.MAX_VALUE (约2GB) 的限制，但实际可用的最大数组大小还受到 JVM 可用内存的限制。

2.4 OutOfMemoryError: Metaspace

java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace 错误发生在 Metaspace 区域的内存耗尽时。Metaspace 用于存储类元数据，如类定义和方法定义。此错误可能由以下原因触发：

• 动态类创建：应用程序在运行时使用脚本语言（如 Groovy）或 Java 反射机制动态创建大量类。
• 大量类加载：应用程序本身包含大量类，或者使用了包含大量类的第三方库或框架。
• 类加载器数量过多：应用程序加载了大量不同的类加载器，每个类加载器都会占用 Metaspace。

2.5 OutOfMemoryError：PermGen Space

在 Java 8 之前的版本中，java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 错误发生在永久代（PermGen）内存耗尽时。PermGen 用于存储类的元数据，如类定义和方法描述。此错误可能由以下原因触发：

• 动态类创建：应用程序在运行时使用脚本语言（如 Groovy）或 Java 反射机制动态创建大量类。
• 大量类加载：应用程序本身包含大量类，或者使用了包含大量类的第三方库或框架。
• 类加载器数量过多：应用程序加载了大量不同的类加载器，每个类加载器都会占用 PermGen 空间。

注意：从 Java 8 开始，PermGen 已被 Metaspace 取代，因此这个错误在 Java 8 及更高版本中不再适用。

2.6 OutOfMemoryError: Unable to create new native threads

当 JVM 无法在本机系统上创建更多线程时，会抛出 java.lang.OutOfMemoryError: Unable to create new native threads 错误。这通常发生在以下情况：

• 线程泄漏：代码中的 bug 可能导致应用程序无意中创建大量线程，这些线程没有被正确关闭或回收。
• 系统资源限制：运行应用程序的系统或容器（如 Docker 容器）的 RAM 容量不足，或者系统上运行的其他进程占用了大量内存。
• 内核限制：操作系统对每个进程可以创建的线程数量有限制。当应用程序尝试创建的线程数超过这些限制时，就会发生此错误。

2.7 OutOfMemoryError: Direct buffer memory

在 Java 中，直接缓冲区（Direct Buffer）用于高效 I/O 操作，如 NIO。当应用程序分配的直接缓冲区超出 JVM 允许的最大直接内存限制（由 -XX:MaxDirectMemorySize 参数设置）时，会抛出 java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory 错误。这种情况可能由以下原因引起：

• 内存泄漏：应用程序未能及时释放不再使用的直接缓冲区，导致内存泄漏。
• 高分配率：应用程序以高频率分配直接缓冲区，而释放速度跟不上分配速度。
• 技术迁移：从 Spring 的 RestTemplate 迁移到基于 NIO 的 WebClient 时，可能会增加直接缓冲区的使用，因为 WebClient 使用直接缓冲区进行网络通信。

2.8 OutOfMemoryError: Kill process or sacrifice child

当系统内存不足时，操作系统可能会终止内存消耗较高的进程以释放资源。如果被终止的是 Java 应用程序，就会抛出 java.lang.OutOfMemoryError: Kill process or sacrifice child 错误。这种情况可能由以下原因引起：

• 系统内存压力：系统上运行的进程过多，导致可用内存减少。
• 堆大小配置不当：如果初始堆大小（-Xms）设置得太低，而最大堆大小（-Xmx）设置得较高，JVM 在运行时可能会尝试扩展堆，从而导致内存压力。
• 本机内存区域增长：即使堆大小固定，JVM 的本机内存区域（如直接缓冲区）在运行时也可能增长，导致内存压力。

2.9 OutOfMemoryError: reason stack_trace_with_native_method

java.lang.OutOfMemoryError: reason stack_trace_with_native_method 错误发生在 JVM 无法为执行包含本地（native）方法调用的线程分配足够的内存时。这种情况通常与以下因素有关：

• JNI 使用：当应用程序通过 Java Native Interface (JNI) 调用本地代码时，如果本地方法或JNI调用管理不当，可能会导致堆栈内存耗尽。JNI 允许 Java 代码与其他语言编写的代码进行交互，但不当的使用可能会引起内存问题。
• 递归调用：对本地方法的递归调用可能导致调用堆栈迅速增长，最终超出线程的堆栈内存限制。

注意：这个错误通常只影响那些使用 JNI 并连接到本地应用程序的 Java 程序。大多数标准 Java 应用程序不会遇到这个问题。

3 结论

理解 Java 中的不同类型的 OutOfMemoryError（OOME）对于有效诊断和解决内存问题至关重要。每种 OOME 都指向应用程序中的特定关注领域，从堆空间限制到垃圾回收开销等。熟悉这些错误类型可以帮助您更好地预测潜在问题并实施预防措施，确保应用程序的稳定运行。通过监控内存使用、优化代码和合理配置 JVM 参数，您可以显著降低内存相关的错误，提高 Java 应用程序的性能和可靠性。