刨根问底---一次 OOM 试验造成的电脑雪崩引发的思考

danielmou

发布于 2022-12-26 11:48

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问题初现----电脑雪崩

在写「垃圾回收-实战篇」时，按书中的一个例子做了一次实验，我觉得涉及的知识点挺多的，所以单独拎出来与大家共享一下，相信大家看完肯定有收获。

画外音：尽信书不如无书，对每一个例子我们最好亲自试试，说不定有新的发现

实验是这样的：想测试在指定的栈大小（160k）下通过不断创建多线程观察其造成的 OOM 类型

画外音：造成 OOM 的原因有很多，将在本周的「垃圾回收-实战篇」一文中做详细描述，这里不再赘述

实验的代码如下：

    public    class Test {
	    private     void dontStop(){
		    while(    true) {
		}
	}

	    public     void stackLeakByThread(){
            while (    true) {
            Thread thread =     new Thread(    new Runnable() {
                @Override     public     void run(){
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();
        }
    }

        public     static      void main(String[] args){
		Test oom =     new Test();
		oom.stackLeakByThread();
    }
}

过了一会儿风扇狂转，不久就发生了 OOM,然后程序没有终止，用 Ctrl + C 也无法终止,会提示「the VM may need to be forcibly terminated」,这是什么鬼，如图示

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电脑卡死了，鼠标键盘完全没法响应！只好重启了电脑，然后我先在终端输入 top 命令，再执行以上的程序，发现 CPU 的负载达到了 800%!

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在以上对问题的描述中至少有三个问题值得我们去思考

以上 while (true) 为啥会造成 cpu 负载 800%
在主线程发生 OOM 后我在终端用 Ctrl + C 试图终止 Java 进程的执行，但没成功，为啥中止信号不生效呢
主线程发生 OOM 后 Java 进程为啥不会停止运行

一个个来看

while (true) 与 cpu 负载的关系

首先我们要明白 %CPU 代表的含义，它指的是进程占用一个核的百分比，如果进程启动了多个线程，多线程就会占用多个核，是可能超过 100% 的，但最多不超过 CPU核数 * 100%, 怎么查看逻辑 CPU 的个数

Linux 下可以用

cat /proc/cpuinfo| grep "processor"| wc -l

Mac 可以用

sysctl hw.logicalcpu

我的电脑是 Mac 的，用以上命令查了一下逻辑核心发现是 8 个，而实验看到的 CPU 占有率是 800%,也就是说我们的实验程序打满了 8 个逻辑 CPU！有人说那是因为你在源源不断地创建线程啊，当然就打满了所有 CPU 了，那我们再来试验一下，只创建 7 个线程，加个主线程共 8 个，这 8 个主线程内部都只执行一个 while(true) ,如下

    public    class Test {
            private    int threadCount = 0;
	    private     void dontStop(){
		    while(    true) {
		}
	}

	    public     void stackLeakByThread(){
            while (    true) {
               // 只创建 7 个线程， 加上主线程共 8 个线程    if (threadCount > 7) {
                    continue;
            }
            Thread thread =     new Thread(    new Runnable() {
                @Override     public     void run(){
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();threadCount++;
        }
    }

        public     static      void main(String[] args){
		Test oom =     new Test();
		oom.stackLeakByThread();
    }
}

执行之后 %CPU 还是接近 800%（大家可以试验一下，这里不贴图了）, 也就是说 8 个 while(true) 把 8 个核全部打满了，平均一个 while(true) 打满一个核，那么问题来了，单个线程执行 while(true) 为啥会打满一个核呢，CPU 不是按时间片来分配各个进程的吗

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如图示：操作系统按时间片的调度算法来给不同的进程分配 CPU 时间，如果某个进程时间片用完了，会让出 CPU 的控制权给其他的进程执行

首先，需要指明的是：CPU 确实是按时间片来给不同的进程分配它的控制权的

但 CPU 对时间片的分配策略是动态的，具有偏向性的，简单理解如下：

Java 中的线程执行完系统分配的时间片后确实是会让出 CPU 的执行权，但别的进程会告诉系统自己没什么事情要做，不需要那么多的时间，这个时候系统就会切换到下一个进程，直到回到这个死循环的进程上，而 Java 进程无论什么时候都再循环，都会一直会报告有事情要做，系统就会把尽可能多的时间分给它（正所谓会哭的小孩有奶吃）,系统会不断调高 while(true) 线程的优先级，提升它的 CPU 占用时间片，也就是说 while(true) 这个死循环用光了别的进程省下的时间，不让 CPU 有片刻休息的时间，导致 CPU 负载过高，这就像马太效应，勤奋的线程执行的越努力，其他懒惰的线程就越会被缩短时间片，越得不到机会!

画外音: Windows 系统中就存在一个称为「优先级推进器」(Priority Boosting,可以关闭）的功能，大致作用就是当系统发现一个线程执行得特别勤奋努力的话，可能会越过线程优先级优先为此线程分配执行时间

发生 OOM 后 Ctrl+C 为啥无法中止 Java 进程

上文提到，发生 OOM 后，由于已经观察到 OOM 的现象，所以想把 Java 进程通过 Ctrl+C 杀死，但发现不起作用，如图示

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为啥 Ctrl + C 这种通用的 kill 掉进程的方式不起作用呢，我在 Oracle 的论坛（见文末参考链接）找到了 Oracle 工程师的回答

The message "Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: Exception java.lang.OutOfMemoryError occurred dispatching signal UNKNOWN to handler- the VM may need to be forcibly terminated" is getting printed by the JVM's native signal handling code. The signal handler itself encountered OOM while making a Java up-call and that's why the JVM didn't get terminated with ctrl+c.

简单地说就是 JVM 中的信号处理器确实收到了终端发出的 Ctrl + C 的终止信号，但当它调用 Java 进程想中止时发生了 OOM 导致中断失败，那为啥调用会发生 OOM 呢，我猜是因为信号处理器要启动一个线程来做这种终止通知的操作，而我们知道，当前已经无法再创建线程了（已经发生 unable to create new native thread 的错误了）

主线程发生 OOM 后 Java 进程为啥不会停止运行

最后一个问题，主线程发生 OOM 后 Java 进程居然没终止，这个该怎么解释

Main 主线程与其他的子线程并不是父子关系，而是平等的关系，所以主线程虽然因为 OOM 挂了，但其他子线程并不会停止运行，由于子线程们执行的 while(true)，所以子线程会一直存在，既然它们一直存在，那对应的 Java 进程就会一直运行着。

那怎么让主线程终止运行后，其他线程也可立即结束呢，可以把这些子线程设置为守护线程，创建好 Thread thread 后，可以用 thread.setDaemon(true) 将其设置成守护线程，这样当主线程挂了，守护线程也会立即停止运行，原因嘛，也很简单，既然是守护线程，那被守护的线程都挂了，那守护线程也没存在的意义了