JDK 1.8 JVM内部结构改变_元空间(Metaspace)取代永久代(PermGen)

一、JVM 运行时数据区

　　根据 JVM 规范，JVM 运行时数据区共分为虚拟机栈、堆、方法区、程序计数器、本地方法栈五个部分。

　　1、虚拟机栈：每个线程有一个私有的栈，随着线程的创建而创建。栈里面存着的是一种叫“栈帧”的东西，每个方法会创建一个栈帧，栈帧中存放了局部变量表（基本数据类型和对象引用）、操作数栈、方法出口等信息。栈的大小可以固定也可以动态扩展。当栈调用深度大于JVM所允许的范围，会抛出StackOverflowError的错误，不过这个深度范围不是一个恒定的值，我们通过下面这段程序可以测试一下这个结果：

栈溢出测试源码：

代码段 1

package com.paddx.test.memory;

public class StackErrorMock {

    private static int index = 1;

    public void call(){
        index++;
        call();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StackErrorMock mock = new StackErrorMock();
        try {
            mock.call();
        }catch (Throwable e){
            System.out.println("Stack deep : "+index);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行三次，可以看出每次栈的深度都是不一样的，输出结果如下。

至于红色框里的值是怎么出来的，就需要深入到 JVM 的源码中才能探讨，这里不作详细阐述。

虚拟机栈除了上述错误外，还有另一种错误，那就是当申请不到空间时，会抛出 OutOfMemoryError。这里有一个小细节需要注意，catch 捕获的是 Throwable，而不是 Exception。因为 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 都不属于 Exception 的子类。

　　2、本地方法栈：

　　这部分主要与虚拟机用到的 Native 方法相关，一般情况下， Java 应用程序员并不需要关心这部分的内容。

　　3、PC 寄存器：

　　PC 寄存器，也叫程序计数器。JVM支持多个线程同时运行，每个线程都有自己的程序计数器。倘若当前执行的是 JVM 的方法，则该寄存器中保存当前执行指令的地址；倘若执行的是native 方法，则PC寄存器中为空。

　　4、堆

　　堆内存是 JVM 所有线程共享的部分，在虚拟机启动的时候就已经创建。所有的对象和数组都在堆上进行分配。这部分空间可通过 GC 进行回收。当申请不到空间时会抛出 OutOfMemoryError。下面我们简单的模拟一个堆内存溢出的情况：

代码段 2

package com.paddx.test.memory;

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

public class HeapOomMock {
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        int i = 0;
        boolean flag = true;
        while (flag){
            try {
                i++;
                list.add(new byte[1024 * 1024]);//每次增加一个1M大小的数组对象
            }catch (Throwable e){
                e.printStackTrace();
                flag = false;
                System.out.println("count="+i);//记录运行的次数
            }
        }
    }
}

运行上述代码，输出结果如下：　　

　　　

注意，这里我指定了堆内存的大小为16M，所以这个地方显示的count=14（这个数字不是固定的），至于为什么会是14或其他数字，需要根据 GC 日志来判断。

　　5、方法区：

　　方法区也是所有线程共享。主要用于存储类的信息、常量池、方法数据、方法代码等。方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常又叫“非堆”。 关于方法区内存溢出的问题会在下文中详细探讨。

二、PermGen（永久代）

　　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：

 代码段 3

package com.paddx.test.memory;

public class Test {
}

代码段 4

package com.paddx.test.memory;

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("/tmp").toURI().toURL();
            URL[] urls = {url};
            while (true){
                ClassLoader loader = new URLClassLoader(urls);
                classLoaderList.add(loader);
                loader.loadClass("com.paddx.test.memory.Test");
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果如下：

　　本例中使用的 JDK 版本是 1.7，指定的 PermGen 区的大小为 8M。通过每次生成不同URLClassLoader对象来加载Test类，从而生成不同的类对象，这样就能看到我们熟悉的 "java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space " 异常了。这里之所以采用 JDK 1.7，是因为在 JDK 1.8 中， HotSpot 已经没有 “PermGen space”这个区间了，取而代之是一个叫做 Metaspace（元空间） 的东西。下面我们就来看看 Metaspace 与 PermGen space 的区别。

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 com.paddx.test.memory;

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：

JDK 1.6 的运行结果：

JDK 1.7的运行结果：

JDK 1.8的运行结果：

　　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：

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。

 

元空间的另一个优势

HotSpot的永久代：原来的jar包及你自己项目的class存放的内存空间，这部分空间是固定的，启动参数里面permSize确定，如果你的jar包很多，经常会遇到永久代溢出，且每个项目都会占用自己的permGen空间。
改成用元空间后，各个项目会共享同样的class内存空间，比如两个项目都用了fast-json开源包，在元空间里面只存一份class，提高内存利用率，且更利于垃圾回收。对于这一点我还是很难理解，有知道的人可以解释一下吗？

提高GC的性能

如果你理解了元空间的概念，很容易发现GC的性能得到了提升。

• Full GC中，元数据指向元数据的那些指针都不用再扫描了。很多复杂的元数据扫描的代码（尤其是CMS里面的那些）都删除了。
• 元空间只有少量的指针指向Java堆。这包括：类的元数据中指向java/lang/Class实例的指针;数组类的元数据中，指向java/lang/Class集合的指针。
• 没有元数据压缩的开销
• 减少了根对象的扫描（不再扫描虚拟机里面的已加载类的字典以及其它的内部哈希表）
• 减少了Full GC的时间
• G1回收器中，并发标记阶段完成后可以进行类的卸载

四、总结

JDK 1.8为什么要做这个更新呢？最后给大家总结以下几点原因：

1. 字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
2. 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。
3. 永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。
4. Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。