Java虚拟机16：Metaspace

被废弃的持久代

想起之前面试的时候有面试官问起过我一个问题：Java 8为什么要废弃持久代即Metaspace的作用。由于当时使用的Java 7且研究重心不在JVM上，一下没有回答上来，今天突然想起这个问题，就详细总结一下这个问题。

首先我们看一张JVM内存布局的图：

注意到里面有一块METHOD AREA，它是一块线程共享的对象，名为方法区，在HotSpot虚拟机中，这块METHOD AREA我们可以认为等同于持久代（PermGen），在Java 6及之前的版本，持久代存放了以下一些内容：

• 虚拟机加载的类信息
• 常量池
• 静态变量
• 即时编译后的代码

到了Java 7之后，常量池已经不在持久代之中进行分配了，而是移到了堆中，即常量池和对象共享堆内存。

接着到了Java 8之后的版本（至此篇文章，Java 10刚发布），持久代已经被永久移除，取而代之的是Metaspace。

为什么要移除持久代

HotSpot团队选择移除持久代，有内因和外因两部分，从外因来说，我们看一下JEP 122的Motivation（动机）部分：

This is part of the JRockit and Hotspot convergence effort. JRockit customers do not need to configure the permanent generation (since JRockit does not have a permanent generation) and are accustomed to not configuring the permanent generation.

大致就是说移除持久代也是为了和JRockit进行融合而做的努力，JRockit用户并不需要配置持久代（因为JRockit就没有持久代）。

从内因来说，持久代大小受到-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize两个参数的限制，而这两个参数又受到JVM设定的内存大小限制，这就导致在使用中可能会出现持久代内存溢出的问题，因此在Java 8及之后的版本中彻底移除了持久代而使用Metaspace来进行替代。

Metaspace

上面说了，为了避免出现持久代内存溢出的问题，Java 8及之后的版本彻底移除了持久代而使用Metaspace来进行替代。

Metaspace是方法区在HotSpot中的实现，它与持久代最大的区别在于：Metaspace并不在虚拟机内存中而是使用本地内存。因此Metaspace具体大小理论上取决于32位/64位系统可用内存的大小，可见也不是无限制的，需要配置参数。

接着我们模拟一下Metaspace内存溢出的情况，前面说了持久代存放了以下信息：

• 虚拟机加载的类信息
• 常量池
• 静态变量
• 即时编译后的代码

所以最简单的模拟Metaspace内存溢出，我们只需要无限生成类信息即可，类占据的空间总是会超过Metaspace指定的空间大小的，下面用Cglib来模拟：

 public class MetaspaceOOMTest {

     /**
      * JVM参数:-XX:MetaspaceSize=8m -XX:MaxMetaspaceSize=128m -XX:+PrintFlagsInitial
      */
     public static void main(String[] args) {
         int i = 0;

         try {
             for (;;) {
                 i++;

                 Enhancer enhancer = new Enhancer();
                 enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
                 enhancer.setUseCache(false);
                 enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                     public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
                         return proxy.invokeSuper(obj, args);
                     }
                 });
                 enhancer.create();
             }
         } catch (Exception e) {
             System.out.println("第" + i + "次时发生异常");
             e.printStackTrace();
         }
     }

     static class OOMObject {

     }

 }

虚拟机参数设置为"-XX:MetaspaceSize=8m -XX:MaxMetaspaceSize=128m"，运行代码，结果为：

 第15562次时发生异常
 net.sf.cglib.core.CodeGenerationException: java.lang.reflect.InvocationTargetException-->null
     at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:345)
     at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492)
     at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:114)
     at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:291)
     at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480)
     at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:305)
     at org.xrq.commom.test.jvm.MetaspaceOOMTest.main(MetaspaceOOMTest.java:34)
 Caused by: java.lang.reflect.InvocationTargetException
     at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1.invoke(Unknown Source)
     at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(Unknown Source)
     at java.lang.reflect.Method.invoke(Unknown Source)
     at net.sf.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:413)
     at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:336)
     ... 6 more
 Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
     at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
     at java.lang.ClassLoader.defineClass(Unknown Source)
     ... 11 more

可见即使使用了Metaspace，也是有OOM的风险的，但是由于Metaspace使用本机内存，因此只要不要代码里面犯太低级的错误，OOM的概率基本是不存在的。

Metaspace相关JVM参数

最后我们来看一下Metaspace相关的几个JVM参数：

参数名	作  用
MetaspaceSize	初始化的Metaspace大小，控制Metaspace发生GC的阈值。GC后，动态增加或者降低MetaspaceSize，默认情况下，这个值大小根据不同的平台在12M到20M之间浮动
MaxMetaspaceSize	限制Metaspace增长上限，防止因为某些情况导致Metaspace无限使用本地内存，影响到其他程序，默认为4096M
MinMetaspaceFreeRatio	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，那么虚拟机增长Metaspace的大小，默认为40，即70%
MaxMetaspaceFreeRatio	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，那么虚拟机会释放部分Metaspace空间，默认为70，即70%
MaxMetaspaceExpanison	Metaspace增长时的最大幅度，默认值为5M
MinMetaspaceExpanison	Metaspace增长时的最小幅度，默认为330KB