Java工程师面试1000题223-JDK1.8中JVM的变化：元空间的引入

223、JDK1.8中JVM的变化：元空间的引入

在介绍Java8中的JVM变化之前，我们先来回归一下Java的内存模型：

根据JVM规范，JVM内存共分为虚拟机栈、本地方法栈、堆、程序计数器、方法区五个部分：

1、虚拟机栈：每一个线程私有，线程之间彼此隔离，随着线程的创建而创建。栈里面存放的是一个叫做“栈帧”的东西，没去执行一个方法的时候就创建一个栈帧，栈帧里面存放的是局部变量表（基本数据类型和对象引用）、操作数栈、方法出口等相关信息。栈的大小可以固定也可以动态扩展，当栈调用深度大于JVM所允许的范围时，会抛出StackOverflowError的错误。我们通过下面的程序测试一下栈调用的深度：

class Solution {

    private static int index = 1;

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

    public static void main(String[] args) {
        Solution solution = new Solution();
        try {
            solution.call();
        }catch (Throwable e){
            System.out.println("栈深度为：" + index);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

执行多次的结果：

java.lang.StackOverflowError
栈深度为：24799
	at com.test.Solution.call(Solution.java:10)

java.lang.StackOverflowError
栈深度为：24827
	at com.test.Solution.call(Solution.java:10)

java.lang.StackOverflowError
栈深度为：24821
	at com.test.Solution.call(Solution.java:10)

发现每次执行的结果并不一样，就需要深入到 JVM 的源码中才能探讨，这里不作详细阐述。栈的高度称为栈的深度，栈深度受栈帧大小影响。局部变量表内容越多，栈帧越大，栈深度越小。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。（线程私有）

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。（线程私有）

3、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。（线程私有）

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。（线程共享）

5、方法区：方法区和上面的堆一样也是线程共享的。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，但是为了和堆进行区分，通常又叫做“非堆”。（线程共享）

注意：在JDK1.6及之前，运行时常量池是方法区的一个部分，同时方法区里面存储了类的元数据信息、静态变量、即时编译器编译后的代码（比如spring 使用IOC或者AOP创建bean时，或者使用cglib，反射的形式动态生成class信息等）等。在JDK1.7及以后，JVM已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在JVM堆开辟了一块区域存放常量池。

在Java虚拟机规范中，方法区在虚拟机启动的时候创建，虽然方法区是堆的逻辑组成部分，但是简单的虚拟机实现可以选择不在方法区实现垃圾回收与压缩。但是在HotSpot中，设计者将方法区纳入了GC分代收集。我们常说的永久代和方法区又是什么关系呢？《Java虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用，并没有规定如何去实现它。那么，在不同的JVM上方法区的实现是不同的。在HotSpot上把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区。因此，我们得到了结论，永久代是HotSpot的概念，方法区是Java虚拟机规范中的定义，是一种规范，而永久代是一种实现，一个是标准一个是实现。其他的虚拟机实现并没有永久带这一说法。HotSpot 使用永久代实现方法区，HotSpot 使用 GC分代来实现方法区内存回收。方法区和永久代的关系很像Java中接口和类的关系，类实现了接口，而永久代就是HotSpot虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。

我们知道在HotSpot虚拟机中存在三种垃圾回收现象，minor GC、major GC和full GC。对新生代进行垃圾回收叫做minor GC，对老年代进行垃圾回收叫做major GC，同时对新生代、老年代和永久代进行垃圾回收叫做full GC。许多major GC是由minor GC触发的，所以很难将这两种垃圾回收区分开。major GC和full GC通常是等价的，收集整个GC堆。但因为HotSpot VM发展了这么多年，外界对各种名词的解读已经完全混乱了，当有人说“major GC”的时候一定要问清楚他想要指的是上面的full GC还是major GC。

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。PermGen（永久代），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。

至于JDK1.8中为什么要将永久代移除，大概有如下原因：有经验的同学会发现，对永久代的调优过程非常困难，永久代的大小很难确定，其中涉及到太多因素，如类的总数、常量池大小和方法数量等，而且永久代的数据可能会随着每一次Full GC而发生移动。而在JDK8中，类的元数据保存在本地内存中，元空间的最大可分配空间就是系统可用内存空间，可以避免永久代的内存溢出问题，不过需要监控内存的消耗情况，一旦发生内存泄漏，会占用大量的本地内存。原因总结：

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。

jdk1.8中虽然移除了永久代，但是仍然保留了方法区的概念，只不过实现方式不同。取消永久代，方法区存放于元空间中(Metaspace)，元空间仍然与堆不相连，但与堆共享物理内存，逻辑上可认为在堆中。变化如下：

1）移除了永久代（PermGen），替换为元空间（Metaspace）；
2）永久代中的 class metadata 转移到了 native memory（本地内存，而不是虚拟机）；
3）永久代中的 interned Strings 和 class static variables 转移到了 Java heap；
4）永久代参数 （PermSize MaxPermSize） -> 元空间参数（MetaspaceSize MaxMetaspaceSize）。

网上还有一种说法是：“JDK1.8时，移除了方法区的概念，用一个元数据区代替。元数据区存放的东西和方法区相同，不过元数据区移动到本地内存中。本地内存，又称堆外内存（Direct Memory），就是指机器内存中不是JVM管理的那部分内存，由操作系统管理。元数据区移动到本地内存以后，可以避免虚拟机加载类过多而引发的内存溢出：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen，但是同样不能无限扩展。”个人觉得上面的说法不严谨，方法区是JVM的规范，不会被移除，只是实现形式由原来的永久代替换为了元空间而已。（个人愚见，欢迎大家纠正）

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。

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。

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