元空间与直接内存的关系

随着JDK8的到来，JVM不再有PermGen。但类的元数据信息（metadata）还在，只不过不再是存储在连续的堆空间上，而是移动到叫做“Metaspace”的本地内存（Native memory）中。

从上图可以看到，元空间和直接内存都是堆外内存，那么二者的区别是什么呢？

元空间：DK1.8以前的HotSpot JVM有方法区，也叫永久代(permanent generation)。（永久代是针对hotspot虚拟机来说的）

方法区用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量，即编译器编译后的代码。

方法区是一片连续的堆空间，通过-XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配空间，当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报OOM:PermGen错误。

JDK1.7开始了方法区的部分移除：符号引用(Symbols)移至native heap，字面量(interned strings)和静态变量(class statics)移至java heap。

为什么要用Metaspace替代永久代？
随着动态类加载的情况越来越多，这块内存变得不太可控，如果设置小了，系统运行过程中就容易出现内存溢出，设置大了又浪费内存。

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：

1. 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。

2. -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：

   1）-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
   2）　-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

   -verbose参数是为了获取类型加载和卸载的信息

Metaspace内存管理

在metaspace中，类和其元数据的生命周期与其对应的类加载器相同，只要类的类加载器是存活的，在Metaspace中的类元数据也是存活的，不能被回收。
每个加载器有单独的存储空间。
省掉了GC扫描及压缩的时间。
当GC发现某个类加载器不再存活了，会把对应的空间整个回收。

直接内存：直接内存主要被 Java NIO 使用，某种程度上也就是指DirectByteBuffer对象占用的堆外内存。
DirectByteBuffer对象创建时会通过Unsafe类接口直接调用操作系统的malloc分配内存，然后将内存的起始地址和大小保存下来，据此就可以直接操作内存空间

可以看出，直接内存的大小并不受到java堆大小的限制，甚至不受到JVM进程内存大小的限制。它只受限于本机总内存（RAM及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制（最常见的就是32位/64位CPU的最大寻址空间限制不同）。

DirectByteBuffer使用直接内存的原因有两点：

1） 这块内存真正的分配并不在 Java 堆中，堆中只有一个很小的对象引用，这种方式能减轻 GC 压力
2） 对于堆内对象，进行IO操作（Socket、文件读写）时需要先把对象复制一份到堆外内存再写入 Socket 或者文件，而当 DirectByteBuffer 就在堆外分配内存时可以省掉一次从堆内拷贝到堆外的操作，减少用户态到内核态的操作，性能表现会更好

直接内存的回收

需注意堆外内存并不直接控制于JVM，这些内存只有在DirectByteBuffer回收掉之后才有机会被回收，而 Young GC 的时候只会将年轻代里不可达的DirectByteBuffer对象及其直接内存回收，如果这些对象大部分都晋升到了年老代，那么只能等到Full GC的时候才能彻底地回收DirectByteBuffer对象及其关联的堆外内存。因此，堆外内存的回收依赖于 Full GC

Full GC一般发生在年老代垃圾回收或者代码调用System.gc的时候，依靠年老代垃圾回收触发 Full GC，进而实现堆外内存的回收显然具有太大的不确定性。如果年老代一直不进行垃圾回收，那么堆外内存就得不到回收，机器的物理内存可能就会被慢慢耗光。为了避免这种情况发生，可以通过参数-XX:MaxDirectMemorySize来指定最大的直接内存大小，当其使用达到了阈值的时候将调用System.gc来做一次Full GC，从而完成可控的堆外内存回收。这样做的问题在于，堆外内存的回收依赖于代码调用 System.gc，先捕获到异常，再在Catch块里面通过System.gc()命 令来触发垃圾收集。但如果Java虚拟机再打开了-XX：+DisableExplicitGC开关，禁止了人工触发垃圾 收集的话，根本不会触发Full GC，这样在使用Netty等 NIO 框架时需注意是否会因为这个参数导致直接内存的泄露

直接内存出现OutOfMemoryError的原因是对该区域进行内存分配时，其内存与其他内存加起来超过最大物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致OutOfMemoryError。
　　另外，若我们通过参数“-XX:MaxDirectMemorySize”指定了直接内存的最大值，其超过指定的最大值时，也会抛出内存溢出异常。
　　
-XX:MaxDirectMemorySize 参数没有指定的话，那么根据directMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory()最大直接内存的值和堆内存大小差不多，即与堆内存大小一致