Java8内存模型—永久代(PermGen)和元空间(Metaspace)

1、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。

　　一、虚拟机栈：每一个线程有一个私有的栈，随着线程的建立而建立。栈里面存着的是一种叫“栈帧”的东西，每一个方法会建立一个栈帧，栈帧中存放了局部变量表（基本数据类型和对象引用）、操做数栈、方法出口等信息。栈的大小能够固定也能够动态扩展。当栈调用深度大于JVM所容许的范围，会抛出StackOverflowError的错误，不过这个深度范围不是一个恒定的值，咱们经过下面这段程序能够测试一下这个结果：

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，能够看出每次栈的深度都是不同的，输出结果以下。

至于红色框里的值是怎么出来的，就须要深刻到 JVM 的源码中才能探讨，这里不做详细阐述。

虚拟机栈除了上述错误外，还有另外一种错误，那就是当申请不到空间时，会抛出 OutOfMemoryError。这里有一个小细节须要注意，catch 捕获的是 Throwable，而不是 Exception。由于 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 都不属于 Exception 的子类。

　　二、本地方法栈：

　　这部分主要与虚拟机用到的 Native 方法相关，通常状况下， Java 应用程序员并不须要关心这部分的内容。

　　三、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，每一个线程都有本身的程序计数器。假若当前执行的是 JVM 的方法，则该寄存器中保存当前执行指令的地址；假若执行的是native 方法，则PC寄存器中为空。

　　四、堆

　　堆内存是 JVM 全部线程共享的部分，在虚拟机启动的时候就已经建立。全部的对象和数组都在堆上进行分配。这部分空间可经过 GC 进行回收。当申请不到空间时会抛出 OutOfMemoryError。下面咱们简单的模拟一个堆内存溢出的状况：

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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]);//每次增长一个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，输出结果以下：　　

　　　

注意，这里我指定了堆内存的大小为16M，因此这个地方显示的count=14（这个数字不是固定的），至于为何会是14或其余数字，须要根据 GC 日志来判断，具体缘由会在下篇文章中给你们解释。

　　五、方法区：

　　方法区也是全部线程共享。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，可是为了与堆进行区分，一般又叫“非堆”。 关于方法区内存溢出的问题会在下文中详细探讨。

2、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，然后者则是 JVM 规范的一种实现，而且只有 HotSpot 才有 “PermGen space”，而对于其余类型的虚拟机，如 JRockit（Oracle）、J9（IBM） 并无“PermGen space”。因为方法区主要存储类的相关信息，因此对于动态生成类的状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 页面比较多的状况，容易出现永久代内存溢出。咱们如今经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 { }

 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

运行结果以下：

　　本例中使用的 JDK 版本是 1.7，指定的 PermGen 区的大小为 8M。经过每次生成不一样URLClassLoader对象来加载Test类，从而生成不一样的类对象，这样就能看到咱们熟悉的 "java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space " 异常了。这里之因此采用 JDK 1.7，是由于在 JDK 1.8 中， HotSpot 已经没有 “PermGen space”这个区间了，取而代之是一个叫作 Metaspace（元空间） 的东西。下面咱们就来看看 Metaspace 与 PermGen space 的区别。

3、Metaspace（元空间）

　　其实，移除永久代的工做从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，并没彻底移除，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。咱们能够经过一段程序来比较 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，这样能够比较快速的消耗内存。咱们经过 JDK 1.六、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：

　　从上述结果能够看出，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，而且 JDK 1.8中 PermSize 和 MaxPermGen 已经无效。所以，能够大体验证 JDK 1.7 和 1.8 将字符串常量由永久代转移到堆中，而且 JDK 1.8 中已经不存在永久代的结论。如今咱们看看元空间究竟是一个什么东西？

　　元空间的本质和永久代相似，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。所以，默认状况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但能够经过如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：若是释放了大量的空间，就适当下降该值；若是释放了不多的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提升该值。
　　-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之外，还有两个与 GC 相关的属性：
　　-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC以后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减小为分配空间所致使的垃圾收集
　　-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC以后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减小为释放空间所致使的垃圾收集

如今咱们在 JDK 8下从新运行一下代码段 4，不过此次再也不指定 PermSize 和 MaxPermSize。而是指定 MetaSpaceSize 和 MaxMetaSpaceSize的大小。输出结果以下：

从输出结果，咱们能够看出，此次再也不出现永久代溢出，而是出现了元空间的溢出。

4、总结

　　经过上面分析，你们应该大体了解了 JVM 的内存划分，也清楚了 JDK 8 中永久代向元空间的转换。不过你们应该都有一个疑问，就是为何要作这个转换？因此，最后给你们总结如下几点缘由：

　　一、字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。

　　二、类及方法的信息等比较难肯定其大小，所以对于永久代的大小指定比较困难，过小容易出现永久代溢出，太大则容易致使老年代溢出。

　　三、永久代会为 GC 带来没必要要的复杂度，而且回收效率偏低。

　　四、Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。