转：Java8内存模型—永久代(PermGen)和元空间(Metaspace)

一、JVM 内存模型

　　根据 JVM 规范，JVM 内存共分为虚拟机栈、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：

 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：

 package com.paddx.test.memory;

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

 public class HeapOomMock {
     public static void main(String[] args) {
         List<byte[]> list = new ArrayList<byte[]>();
         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，具体原因会在下篇文章中给大家解释。

　　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：

 public class Test {
 }

 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<ClassLoader> classLoaderList = new ArrayList<ClassLoader>();
         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。

补充：持久代介绍

PermGen space的全称是Permanent Generation space,是指内存的永久保存区域，说说为什么会内存益出：这一部分用于存放Class和Meta的信息,Class在被 Load的时候被放入PermGen space区域，它和和存放Instance的Heap区域不同,所以如果你的APP会LOAD很多CLASS的话,就很可能出现PermGen space错误。这种错误常见在web服务器对JSP进行pre compile的时候。

JVM 种类有很多，比如 Oralce-Sun Hotspot, Oralce JRockit, IBM J9, Taobao JVM（淘宝好样的！）等等。当然武林盟主是Hotspot了，这个毫无争议。需要注意的是，PermGen space是Oracle-Sun Hotspot才有，JRockit以及J9是没有这个区域。

持久代中包含了虚拟机中所有可通过反射获取到的数据，比如Class和Method对象。不同的Java虚拟机之间可能会进行类共享，因此持久代又分为只读区和读写区。

JVM用于描述应用程序中用到的类和方法的元数据也存储在持久代中。JVM运行时会用到多少持久代的空间取决于应用程序用到了多少类。除此之外，Java SE库中的类和方法也都存储在这里。

如果JVM发现有的类已经不再需要了，它会去回收（卸载）这些类，将它们的空间释放出来给其它类使用。Full GC会进行持久代的回收。

• JVM中类的元数据在Java堆中的存储区域。
• Java类对应的HotSpot虚拟机中的内部表示也存储在这里。
• 类的层级信息，字段，名字。
• 方法的编译信息及字节码。
• 变量
• 常量池和符号解析

持久代的大小

• 它的上限是MaxPermSize，默认是64M
• Java堆中的连续区域 : 如果存储在非连续的堆空间中的话，要定位出持久代到新对象的引用非常复杂并且耗时。卡表（card table），是一种记忆集（Remembered Set），它用来记录某个内存代中普通对象指针（oops）的修改。
• 持久代用完后，会抛出OutOfMemoryError "PermGen space"异常。解决方案：应用程序清理引用来触发类卸载；增加MaxPermSize的大小。
• 需要多大的持久代空间取决于类的数量，方法的大小，以及常量池的大小。

为什么移除持久代

• 它的大小是在启动时固定好的——很难进行调优。-XX:MaxPermSize，设置成多少好呢？
• HotSpot的内部类型也是Java对象：它可能会在Full GC中被移动，同时它对应用不透明，且是非强类型的，难以跟踪调试，还需要存储元数据的元数据信息（meta-metadata）。
• 简化Full GC：每一个回收器有专门的元数据迭代器。
• 可以在GC不进行暂停的情况下并发地释放类数据。
• 使得原来受限于持久代的一些改进未来有可能实现

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：

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

 public class StringOomMock {
     static String  base = "string";
     public static void main(String[] args) {
         List<String> list = new ArrayList<String>();
         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。

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：

　　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。

  JDK8 HotSpot JVM 移除永久区，使用本地内存来存储类元数据信息并称之为：元空间（Metaspace）。

  这意味着不会再有java.lang.OutOfMemoryError: PermGen问题，也不再需要你进行调优及监控内存空间的使用。

  PermGen空间状况：这部分内存空间将全部移除。JVM的参数：PermSize 和 MaxPermSize 会被忽略并给出警告（如果在启用时设置了这两个参数）。

  Metaspace 容量：默认情况下，类元数据只受可用的本地内存限制（容量取决于是32位或是64位操作系统的可用虚拟内存大小）。新参数（MaxMetaspaceSize）用于限制本地内存分配给类元数据的大小。如果没有指定这个参数，元空间会在运行时根据需要动态调整。

原文作者：liuxiaopeng

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