Java8記憶體模型 永久代(PermGen)和元空間(Metaspace)

Java8記憶體模型—永久代(PermGen)和元空間(Metaspace)

一、JVM 記憶體模型

　　根據 JVM 規範，JVM 記憶體共分為虛拟機棧、堆、方法區、程式計數器、本地方法棧五個部分。

　　1、虛拟機棧：每個線程有一個私有的棧，随着線程的建立而建立。棧裡面存着的是一種叫“棧幀”的東西，每個方法會建立一個棧幀，棧幀中存放了局部變量表（基本資料類型和對象引用）、操作數棧、方法出口等資訊。棧的大小可以固定也可以動态擴充。當棧調用深度大于JVM所允許的範圍，會抛出StackOverflowError的錯誤，不過這個深度範圍不是一個恒定的值，我們通過下面這段程式可以測試一下這個結果：

棧溢出測試源碼：

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<code>package</code> <code>com.paddx.test.memory;</code>

<code>public</code> <code>class</code> <code>StackErrorMock {</code>

<code>    </code><code>private</code> <code>static</code> <code>int</code> <code>index = </code><code>1</code><code>;</code>

<code>    </code><code>public</code> <code>void</code> <code>call(){</code>

<code>        </code><code>index++;</code>

<code>        </code><code>call();</code>

<code>    </code><code>}</code>

<code>    </code><code>public</code> <code>static</code> <code>void</code> <code>main(String[] args) {</code>

<code>        </code><code>StackErrorMock mock = </code><code>new</code> <code>StackErrorMock();</code>

<code>        </code><code>try</code> <code>{</code>

<code>            </code><code>mock.call();</code>

<code>        </code><code>}</code><code>catch</code> <code>(Throwable e){</code>

<code>            </code><code>System.out.println(</code><code>"Stack deep : "</code><code>+index);</code>

<code>            </code><code>e.printStackTrace();</code>

<code>        </code><code>}</code>

<code>}</code>

代碼段 1

運作三次，可以看出每次棧的深度都是不一樣的，輸出結果如下。

至于紅色框裡的值是怎麼出來的，就需要深入到 JVM 的源碼中才能探讨，這裡不作詳細闡述。

虛拟機棧除了上述錯誤外，還有另一種錯誤，那就是當申請不到空間時，會抛出 OutOfMemoryError。這裡有一個小細節需要注意，catch 捕獲的是 Throwable，而不是 Exception。因為 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 都不屬于 Exception 的子類。

　　2、本地方法棧：

　　這部分主要與虛拟機用到的 Native 方法相關，一般情況下， Java 應用程式員并不需要關心這部分的内容。

　　3、PC 寄存器：

　　PC 寄存器，也叫程式計數器。JVM支援多個線程同時運作，每個線程都有自己的程式計數器。倘若目前執行的是 JVM 的方法，則該寄存器中儲存目前執行指令的位址；倘若執行的是native 方法，則PC寄存器中為空。

　　4、堆

　　堆記憶體是 JVM 所有線程共享的部分，在虛拟機啟動的時候就已經建立。所有的對象和數組都在堆上進行配置設定。這部分空間可通過 GC 進行回收。當申請不到空間時會抛出 OutOfMemoryError。下面我們簡單的模拟一個堆記憶體溢出的情況：

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<code>import</code> <code>java.util.ArrayList;</code>

<code>import</code> <code>java.util.List;</code>

<code>public</code> <code>class</code> <code>HeapOomMock {</code>

<code>        </code><code>List&lt;</code><code>byte</code><code>[]&gt; list = </code><code>new</code> <code>ArrayList&lt;</code><code>byte</code><code>[]&gt;();</code>

<code>        </code><code>int</code> <code>i = </code><code>0</code><code>;</code>

<code>        </code><code>boolean</code> <code>flag = </code><code>true</code><code>;</code>

<code>        </code><code>while</code> <code>(flag){</code>

<code>            </code><code>try</code> <code>{</code>

<code>                </code><code>i++;</code>

<code>                </code><code>list.add(</code><code>new</code> <code>byte</code><code>[</code><code>1024</code> <code>* </code><code>1024</code><code>]);</code><code>//每次增加一個1M大小的數組對象</code>

<code>            </code><code>}</code><code>catch</code> <code>(Throwable e){</code>

<code>                </code><code>e.printStackTrace();</code>

<code>                </code><code>flag = </code><code>false</code><code>;</code>

<code>                </code><code>System.out.println(</code><code>"count="</code><code>+i);</code><code>//記錄運作的次數</code>

<code>            </code><code>}</code>

代碼段 2

運作上述代碼，輸出結果如下：　　

　　　

注意，這裡我指定了堆記憶體的大小為16M，是以這個地方顯示的count=14（這個數字不是固定的），至于為什麼會是14或其他數字，需要根據 GC 日志來判斷，具體原因會在下篇文章中給大家解釋。

　　5、方法區：

　　方法區也是所有線程共享。主要用于存儲類的資訊、常量池、方法資料、方法代碼等。方法區邏輯上屬于堆的一部分，但是為了與堆進行區分，通常又叫“非堆”。 關于方法區記憶體溢出的問題會在下文中詳細探讨。

二、PermGen（永久代）

　　絕大部分 Java 程式員應該都見過 "java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space "這個異常。這裡的 “PermGen space”其實指的就是方法區。不過方法區和“PermGen space”又有着本質的差別。前者是 JVM 的規範，而後者則是 JVM 規範的一種實作，并且隻有 HotSpot 才有 “PermGen space”，而對于其他類型的虛拟機，如 JRockit（Oracle）、J9（IBM） 并沒有“PermGen space”。由于方法區主要存儲類的相關資訊，是以對于動态生成類的情況比較容易出現永久代的記憶體溢出。最典型的場景就是，在 jsp 頁面比較多的情況，容易出現永久代記憶體溢出。我們現在通過動态生成類來模拟 “PermGen space”的記憶體溢出：

<code>public</code> <code>class</code> <code>Test {</code>

 代碼段 3

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<code>import</code> <code>java.io.File;</code>

<code>import</code> <code>java.net.URL;</code>

<code>import</code> <code>java.net.URLClassLoader;</code>

<code>public</code> <code>class</code> <code>PermGenOomMock{</code>

<code>        </code><code>URL url = </code><code>null</code><code>;</code>

<code>        </code><code>List&lt;ClassLoader&gt; classLoaderList = </code><code>new</code> <code>ArrayList&lt;ClassLoader&gt;();</code>

<code>            </code><code>url = </code><code>new</code> <code>File(</code><code>"/tmp"</code><code>).toURI().toURL();</code>

<code>            </code><code>URL[] urls = {url};</code>

<code>            </code><code>while</code> <code>(</code><code>true</code><code>){</code>

<code>                </code><code>ClassLoader loader = </code><code>new</code> <code>URLClassLoader(urls);</code>

<code>                </code><code>classLoaderList.add(loader);</code>

<code>                </code><code>loader.loadClass(</code><code>"com.paddx.test.memory.Test"</code><code>);</code>

<code>        </code><code>} </code><code>catch</code> <code>(Exception e) {</code>

代碼段 4

運作結果如下：

　　本例中使用的 JDK 版本是 1.7，指定的 PermGen 區的大小為 8M。通過每次生成不同URLClassLoader對象來加載Test類，進而生成不同的類對象，這樣就能看到我們熟悉的 "java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space " 異常了。這裡之是以采用 JDK 1.7，是因為在 JDK 1.8 中， HotSpot 已經沒有 “PermGen space”這個區間了，取而代之是一個叫做 Metaspace（元空間） 的東西。下面我們就來看看 Metaspace 與 PermGen space 的差別。

三、Metaspace（元空間）

　　其實，移除永久代的工作從JDK1.7就開始了。JDK1.7中，存儲在永久代的部分資料就已經轉移到了Java Heap或者是 Native Heap。但永久代仍存在于JDK1.7中，并沒完全移除，譬如符号引用(Symbols)轉移到了native heap；字面量(interned strings)轉移到了java heap；類的靜态變量(class statics)轉移到了java heap。我們可以通過一段程式來比較 JDK 1.6 與 JDK 1.7及 JDK 1.8 的差別，以字元串常量為例：

<code>public</code> <code>class</code> <code>StringOomMock {</code>

<code>    </code><code>static</code> <code>String  base = </code><code>"string"</code><code>;</code>

<code>        </code><code>List&lt;String&gt; list = </code><code>new</code> <code>ArrayList&lt;String&gt;();</code>

<code>        </code><code>for</code> <code>(</code><code>int</code> <code>i=</code><code>0</code><code>;i&lt; Integer.MAX_VALUE;i++){</code>

<code>            </code><code>String str = base + base;</code>

<code>            </code><code>base = str;</code>

<code>            </code><code>list.add(str.intern());</code>

這段程式以2的指數級不斷的生成新的字元串，這樣可以比較快速的消耗記憶體。我們通過 JDK 1.6、JDK 1.7 和 JDK 1.8 分别運作：

JDK 1.6 的運作結果：

JDK 1.7的運作結果：

JDK 1.8的運作結果：

　　從上述結果可以看出，JDK 1.6下，會出現“PermGen Space”的記憶體溢出，而在 JDK 1.7和 JDK 1.8 中，會出現堆記憶體溢出，并且 JDK 1.8中 PermSize 和 MaxPermGen 已經無效。是以，可以大緻驗證 JDK 1.7 和 1.8 将字元串常量由永久代轉移到堆中，并且 JDK 1.8 中已經不存在永久代的結論。現在我們看看元空間到底是一個什麼東西？

　　元空間的本質和永久代類似，都是對JVM規範中方法區的實作。不過元空間與永久代之間最大的差別在于：元空間并不在虛拟機中，而是使用本地記憶體。是以，預設情況下，元空間的大小僅受本地記憶體限制，但可以通過以下參數來指定元空間的大小：

　　-XX:MetaspaceSize，初始空間大小，達到該值就會觸發垃圾收集進行類型解除安裝，同時GC會對該值進行調整：如果釋放了大量的空間，就适當降低該值；如果釋放了很少的空間，那麼在不超過MaxMetaspaceSize時，适當提高該值。

　　-XX:MaxMetaspaceSize，最大空間，預設是沒有限制的。

　　除了上面兩個指定大小的選項以外，還有兩個與 GC 相關的屬性：

　　-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之後，最小的Metaspace剩餘空間容量的百分比，減少為配置設定空間所導緻的垃圾收集

　　-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之後，最大的Metaspace剩餘空間容量的百分比，減少為釋放空間所導緻的垃圾收集

現在我們在 JDK 8下重新運作一下代碼段 4，不過這次不再指定 PermSize 和 MaxPermSize。而是指定 MetaSpaceSize 和 MaxMetaSpaceSize的大小。輸出結果如下：

從輸出結果，我們可以看出，這次不再出現永久代溢出，而是出現了元空間的溢出。

四、總結

　　通過上面分析，大家應該大緻了解了 JVM 的記憶體劃分，也清楚了 JDK 8 中永久代向元空間的轉換。不過大家應該都有一個疑問，就是為什麼要做這個轉換？是以，最後給大家總結以下幾點原因：

　　1、字元串存在永久代中，容易出現性能問題和記憶體溢出。

　　2、類及方法的資訊等比較難确定其大小，是以對于永久代的大小指定比較困難，太小容易出現永久代溢出，太大則容易導緻老年代溢出。

　　3、永久代會為 GC 帶來不必要的複雜度，并且回收效率偏低。

　　4、Oracle 可能會将HotSpot 與 JRockit 合二為一。