JAVA8内存模型

一、回顾JVM内存模型

二、PermGen（永久代）

上一篇文章没有提到永久代，这里详细介绍下。绝大部分 Java 程序员应该都见过 "java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space "这个异常。这里的 “PermGen space”其实指的就是方法区。不过方法区和“PermGen space”又有着本质的区别。前者是 JVM 的规范，而后者则是 JVM 规范的一种实现，并且只有 HotSpot 才有 “PermGen space”，而对于其他类型的虚拟机，如 JRockit（Oracle）、J9（IBM）并没有“PermGen space”。由于方法区主要存储类的相关信息，所以对于动态生成类的情况比较容易出现永久代的内存溢出。最典型的场景就是，在 jsp 页面比较多的情况，容易出现永久代内存溢出。我们现在通过动态生成类来模拟 “PermGen space”的内存溢出：

2.1 测试代码

package cn.lvji.zhouzx.study.jvm;

public class Test {

}

package cn.lvji.zhouzx.study.jvm;

import java.io.File;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class PermGenOomMock {
	public static void main(String[] args) {
		URL url = null;
		List classLoaderList = new ArrayList();
		try {
			url = new File(
					"E:\\springtoolsuite\\spring-tool-suite-3.9.3.RELEASE-e4.7.3-win32-x86_64\\workspace-sts-3.9.3.RELEASE\\zhouzx-study\\src\\main\\java")
							.toURI().toURL();
			URL[] urls = { url };
			while (true) {
				ClassLoader loader = new URLClassLoader(urls);
				classLoaderList.add(loader);
				loader.loadClass("cn.lvji.zhouzx.study.jvm.Test");
			}
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

运行JVM参数

-XX:MaxPermSize=10m -XX:PermSize=10m -Xms8m -Xmx8m -XX:-UseGCOverheadLimit

2.1.1 jdk1.6异常日志（PermGen区）

Error occurred during initialization of VM
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
	at sun.nio.cs.ext.GBK.newEncoder(GBK.java:36)
	at java.lang.StringCoding$StringEncoder.(StringCoding.java:215)
	at java.lang.StringCoding$StringEncoder.(StringCoding.java:207)
	at java.lang.StringCoding.encode(StringCoding.java:266)
	at java.lang.String.getBytes(String.java:946)
	at java.lang.ClassLoader$NativeLibrary.load(Native Method)
	at java.lang.ClassLoader.loadLibrary0(ClassLoader.java:1807)
	at java.lang.ClassLoader.loadLibrary(ClassLoader.java:1724)
	at java.lang.Runtime.loadLibrary0(Runtime.java:823)
	at java.lang.System.loadLibrary(System.java:1028)
	at java.lang.System.initializeSystemClass(System.java:1086)

2.1.2 jdk1.7异常日志（PermGen区）

Error occurred during initialization of VM
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
	at sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.getExtClassLoader(Launcher.java:141)
	at sun.misc.Launcher.(Launcher.java:71)
	at sun.misc.Launcher.(Launcher.java:57)
	at java.lang.ClassLoader.initSystemClassLoader(ClassLoader.java:1489)
	at java.lang.ClassLoader.getSystemClassLoader(ClassLoader.java:1474)

2.1.3 jdk1.8异常日志（Heap区，不支持Perm相关参数）

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.Vector.(Vector.java:135)
	at java.util.Vector.(Vector.java:148)
	at java.util.Vector.(Vector.java:157)
	at java.lang.ClassLoader.(ClassLoader.java:250)
	at java.lang.ClassLoader.(ClassLoader.java:335)
	at java.security.SecureClassLoader.(SecureClassLoader.java:99)
	at java.net.URLClassLoader.(URLClassLoader.java:144)
	at cn.lvji.zhouzx.study.jvm.PermGenOomMock.main(PermGenOomMock.java:19)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=2m; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=2m; support was removed in 8.0

三、Metaspace（元空间）

其实，移除永久代的工作从JDK1.7就开始了。JDK1.7中，存储在永久代的部分数据就已经转移到了Java Heap或者是 Native Heap。但永久代仍存在于JDK1.7中，并没完全移除，譬如符号引用(Symbols)转移到了native heap；字面量(interned strings)转移到了java heap；类的静态变量(class statics)转移到了java heap。我们可以通过一段程序来比较 JDK 1.6 与 JDK 1.7及 JDK 1.8 的区别，以字符串常量为例：

package cn.lvji.zhouzx.study.jvm;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class StringOomMock {
	static String base = "string";

	public static void main(String[] args) {
		List list = new ArrayList();
		for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
			String str = base + base;
			base = str;
			list.add(str.intern());
		}
	}
}

这段程序以2的指数级不断的生成新的字符串，这样可以比较快速的消耗内存。我们通过 JDK 1.6、JDK 1.7 和 JDK 1.8 分别运行，JVM参数如下：

-XX:MaxPermSize=10m -XX:PermSize=10m -Xms8m -Xmx8m -XX:-UseGCOverheadLimit

3.1 JDK1.6运行结果

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
	at java.lang.String.intern(Native Method)
	at cn.lvji.zhouzx.study.jvm.StringOomMock.main(StringOomMock.java:14)

3.2 JDK1.7运行结果

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:2367)
	at java.lang.AbstractStringBuilder.expandCapacity(AbstractStringBuilder.java:130)
	at java.lang.AbstractStringBuilder.ensureCapacityInternal(AbstractStringBuilder.java:114)
	at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:415)
	at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:132)
	at cn.lvji.zhouzx.study.jvm.StringOomMock.main(StringOomMock.java:12)

3.3 JDK1.8运行结果

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)
	at java.lang.AbstractStringBuilder.ensureCapacityInternal(AbstractStringBuilder.java:124)
	at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:448)
	at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:136)
	at cn.lvji.zhouzx.study.jvm.StringOomMock.main(StringOomMock.java:12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10m; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10m; support was removed in 8.0

从上述结果可以看出，JDK 1.6下，会出现“PermGen Space”的内存溢出，而在 JDK 1.7和 JDK 1.8 中，会出现堆内存溢出，并且 JDK 1.8中 PermSize 和 MaxPermGen 已经无效。因此，可以大致验证 JDK 1.7 和 1.8 将字符串常量由永久代转移到堆中，并且 JDK 1.8 中已经不存在永久代的结论。现在我们看看元空间到底是一个什么东西？

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过以下参数来指定元空间的大小：　　-XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC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MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。　　-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的。

　　除了上面两个指定大小的选项以外，还有两个与 GC 相关的属性：　　-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集　　-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为释放空间所导致的垃圾收集

现在我们在 JDK 8下重新运行一下代码段 4，不过这次不再指定 PermSize 和 MaxPermSize。而是指定 MetaSpaceSize 和 MaxMetaSpaceSize的大小。输出结果如下：

-XX:MetaspaceSize=4m -XX:MaxMetaspaceSize=4m -XX:-UseGCOverheadLimit

Error occurred during initialization of VM
OutOfMemoryError: Metaspace

从输出结果，我们可以看出，这次不再出现永久代溢出，而是出现了元空间的溢出。

四、总结

通过上面分析，大家应该大致了解了 JVM 的内存划分，也清楚了 JDK 8 中永久代向元空间的转换。不过大家应该都有一个疑问，就是为什么要做这个转换？所以，最后给大家总结以下几点原因：

字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。
永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。
Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。

附录

-XX:MetaspaceSize=N

这个参数是初始化的Metaspace大小，该值越大触发Metaspace GC的时机就越晚。随着GC的到来，虚拟机会根据实际情况调控Metaspace的大小，可能增加上线也可能降低。在默认情况下，这个值大小根据不同的平台在12M到20M浮动。使用java -XX:+PrintFlagsInitial命令查看本机的初始化参数，-XX:Metaspacesize为21810376B（大约20.8M）。

-XX:MaxMetaspaceSize=N

这个参数用于限制Metaspace增长的上限，防止因为某些情况导致Metaspace无限的使用本地内存，影响到其他程序。在本机上该参数的默认值为4294967295B（大约4096MB）。

-XX:MinMetaspaceFreeRatio=N

当进行过Metaspace GC之后，会计算当前Metaspace的空闲空间比，如果空闲比小于这个参数，那么虚拟机将增长Metaspace的大小。在本机该参数的默认值为40，也就是40%。设置该参数可以控制Metaspace的增长的速度，太小的值会导致Metaspace增长的缓慢，Metaspace的使用逐渐趋于饱和，可能会影响之后类的加载。而太大的值会导致Metaspace增长的过快，浪费内存。

-XX:MaxMetasaceFreeRatio=N

当进行过Metaspace GC之后，会计算当前Metaspace的空闲空间比，如果空闲比大于这个参数，那么虚拟机会释放Metaspace的部分空间。在本机该参数的默认值为70，也就是70%。

-XX:MaxMetaspaceExpansion=N

Metaspace增长时的最大幅度。在本机上该参数的默认值为5452592B（大约为5MB）。

-XX:MinMetaspaceExpansion=N

Metaspace增长时的最小幅度。在本机上该参数的默认值为340784B（大约330KB为）。

参考一

参考二