深刻探究 JVM | 探祕 Metaspace

Java 8 完全將永久代 (PermGen) 移除出了 HotSpot JVM，將其原有的數據遷移至 Java Heap 或 Metaspace。這一篇文章咱們來總結一下Metaspace（元空間）的特性。若有錯誤，敬請指出，謝謝~

引言：永久代爲何被移出HotSpot JVM了？

在 HotSpot JVM 中，永久代中用於存放類和方法的元數據以及常量池，好比Class和Method。每當一個類初次被加載的時候，它的元數據都會放到永久代中。

永久代是有大小限制的，所以若是加載的類太多，頗有可能致使永久代內存溢出，即萬惡的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen ，爲此咱們不得不對虛擬機作調優。

那麼，Java 8 中 PermGen 爲何被移出 HotSpot JVM 了？我總結了兩個主要緣由（詳見：JEP 122: Remove the Permanent Generation）：

1. 因爲 PermGen 內存常常會溢出，引起惱人的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen，所以 JVM 的開發者但願這一塊內存能夠更靈活地被管理，不要再常常出現這樣的 OOM
2. 移除 PermGen 能夠促進 HotSpot JVM 與 JRockit VM 的融合，由於 JRockit 沒有永久代。

根據上面的各類緣由，PermGen 最終被移除，方法區移至 Metaspace，字符串常量移至 Java Heap。

探祕元空間

因爲 Metaspace 的資料比較少，這裏主要是依據Oracle官方的Java虛擬機規範及Oracle Blog裏的幾篇文章來總結的。

首先，Metaspace（元空間）是哪一塊區域？官方的解釋是：

In JDK 8, classes metadata is now stored in the native heap and this space is called Metaspace.

也就是說，JDK 8 開始把類的元數據放到本地堆內存(native heap)中，這一塊區域就叫 Metaspace，中文名叫元空間。

優勢

使用本地內存有什麼好處呢？最直接的表現就是OOM問題將不復存在，由於默認的類的元數據分配只受本地內存大小的限制，也就是說本地內存剩餘多少，理論上Metaspace就能夠有多大（貌似容量還與操做系統的虛擬內存有關？這裏不太清楚），這解決了空間不足的問題。不過，讓 Metaspace 變得無限大顯然是不現實的，所以咱們也要限制 Metaspace 的大小：使用 -XX:MaxMetaspaceSize 參數來指定 Metaspace 區域的大小。JVM 默認在運行時根據須要動態地設置 MaxMetaspaceSize的大小。

除此以外，它還有如下優勢：

• Take advantage of Java Language Specification property : Classes and associated metadata lifetimes match class loader’s
• Linear allocation only
• No individual reclamation (except for RedefineClasses and class loading failure)
• No GC scan or compaction
• No relocation for metaspace objects

GC

若是Metaspace的空間佔用達到了設定的最大值，那麼就會觸發GC來收集死亡對象和類的加載器。根據JDK 8的特性，G1和CMS都會很好地收集Metaspace區（通常都伴隨着Full GC）。

爲了減小垃圾回收的頻率及時間，控制吞吐量，對Metaspace進行適當的監控和調優是很是有必要的。若是在Metaspace區發生了頻繁的Full GC，那麼可能表示存在內存泄露或Metaspace區的空間過小了。

新增的 JVM 參數

• -XX:MetaspaceSize 是分配給類元數據空間（以字節計）的初始大小(Oracle邏輯存儲上的初始高水位，the initial high-water-mark )，此值爲估計值。MetaspaceSize的值設置的過大會延長垃圾回收時間。垃圾回收事後，引發下一次垃圾回收的類元數據空間的大小可能會變大。
• -XX:MaxMetaspaceSize 是分配給類元數據空間的最大值，超過此值就會觸發Full GC，此值默認沒有限制，但應取決於系統內存的大小。JVM會動態地改變此值。
• -XX:MinMetaspaceFreeRatio 表示一次GC之後，爲了不增長元數據空間的大小，空閒的類元數據的容量的最小比例，不夠就會致使垃圾回收。
• -XX:MaxMetaspaceFreeRatio 表示一次GC之後，爲了不增長元數據空間的大小，空閒的類元數據的容量的最大比例，不夠就會致使垃圾回收。

監控與調優（待補充）

VisualVM、jstat、jstack 能夠監測 Metaspace 的動態，後續將更新這裏。

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參考資料

• The Java Virtual Machine Specification, Java SE 8 Edition, Oracle
• Metaspace in Java 8
• What is the use of Metaspace in Java 8? - StackOverflow
• About G1 Garbage Collector, Permanent Generation and Metaspace
• JEP 122: Remove the Permanent Generation
• PermGen elimination in JDK 8 - StackOverflow