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

原文链接：https://www.cnblogs.com/paddix/p/5309550.html

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、程序计算器、本地方法栈五个部分。

1、虚拟机栈

　　每个线程都有一个私有的栈，随着线程的创建而创建。栈里面粗糙你这的是一种叫做“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（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，下面的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();
        }
    }
}

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。这理由一个小细节需要注意，catch捕获的是Threowable，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方法有关，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

　　也叫做程序计数器。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
            }
        }
    }
}

代码段2

运行上述代码，输出结果如下：

注意，这里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：

package com.paddx.test.memory;
 
public class Test {
}

代码段3

 

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。这里之所以此阿勇JDk1.7，是因为在JDK1.8中，HotSpot已经没有“PermGen space”这个区间了，取而代之的是一个叫做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，溢出永久代的工作从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Native Heap。但永久代仍存在于JDK1.7中，并没有完全移除，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jdk1.6与jdk1.7及jdk1.8的区别，以字符串常量为例：

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。通过jdk1.6、jdk1.7和jdk1.8分别运行

jdk1.6的运行结果：

 

jdk1.7的运行结果： 

 

jdk1.8的运行结果： 

　　从上述结果可以看出，jdk1.6下，会出现“PermGen space”的内存溢出，而在JDK1.7和jdk1.8中，会出现堆内存溢出，并且jdk1.8中PermSize和MaxPermGen已经无效。因此，可以大致验证jdk1.7和1.8将字符串常量由永久代转移到堆中，并且jdk1.8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的限制，但可以通过以下参数来指定元空间的大小：

　　-XX:MetaspaceSize，初始化空间大小，达到改值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对改值进行调整：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:MinMetaspaceFreeRatio，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JDK8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：

 

从输出结果可以看书，这次不再出现永久代溢出，而是出现了元空间溢出。

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JDK8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