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*Error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：
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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();
}
}
} |
代码段 1
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 *Error 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：
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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
}
}
}
} |
代码段 2
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：
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package com.paddx.test.memory;
public class Test {
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代码段 3
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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<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();
}
}
} |
代码段 4
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：
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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<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
在JDK1.7中, 已经把原本放在永久代的字符串常量池移出, 放在堆中. 为什么这样做呢? 因为使用永久代来实现方法区不是个好主意, 很容易遇到内存溢出的问题. 我们通常使用PermSize和MaxPermSize设置永久代的大小, 这个大小就决定了永久代的上限, 但是我们不是总是知道应该设置为多大的, 如果使用默认值容易遇到OOM错误.
类的元数据, 字符串池, 类的静态变量将会从永久代移除, 放入Java heap或者native memory. 其中建议JVM的实现中将类的元数据放入 native memory, 将字符串池和类的静态变量放入java堆中. 这样可以加载多少类的元数据就不在由MaxPermSize控制, 而由系统的实际可用空间来控制.
为什么这么做呢? 减少OOM只是表因, 更深层的原因还是要合并HotSpot和JRockit的代码, JRockit从来没有一个叫永久代的东西, 但是运行良好, 也不需要开发运维人员设置这么一个永久代的大小.
当然不用担心运行性能问题了, 在覆盖到的测试中, 程序启动和运行速度降低不超过1%, 但是这一点性能损失换来了更大的安全保障.