Java 8的元空間

Java 8的元空間

本文咱們將會介紹JVM的一個更新，這就是持久代的移除。咱們會介紹爲何須要移除持久代，以及它的替代者，元空間（metaspace）。這是上一篇文章內存管理之垃圾回收的續集。

Java 6中的堆結構是這樣的：

持久代

持久代中包含了虛擬機中全部可經過反射獲取到的數據，好比Class和Method對象。不一樣的Java虛擬機之間可能會進行類共享，所以持久代又分爲只讀區和讀寫區。

JVM用於描述應用程序中用到的類和方法的元數據也存儲在持久代中。JVM運行時會用到多少持久代的空間取決於應用程序用到了多少類。除此以外，Java SE庫中的類和方法也都存儲在這裏。

若是JVM發現有的類已經再也不須要了，它會去回收（卸載）這些類，將它們的空間釋放出來給其它類使用。Full GC會進行持久代的回收。

• JVM中類的元數據在Java堆中的存儲區域。
• Java類對應的HotSpot虛擬機中的內部表示也存儲在這裏。
• 類的層級信息，字段，名字。
• 方法的編譯信息及字節碼。
• 變量
• 常量池和符號解析

持久代的大小

• 它的上限是MaxPermSize，默認是64M
• Java堆中的連續區域 : 若是存儲在非連續的堆空間中的話，要定位出持久代到新對象的引用很是複雜而且耗時。卡表（card table），是一種記憶集（Remembered Set），它用來記錄某個內存代中普通對象指針（oops）的修改。
• 持久代用完後，會拋出OutOfMemoryError "PermGen space"異常。解決方案：應用程序清理引用來觸發類卸載；增長MaxPermSize的大小。
• 須要多大的持久代空間取決於類的數量，方法的大小，以及常量池的大小。

爲何移除持久代

• 它的大小是在啓動時固定好的——很難進行調優。-XX:MaxPermSize，設置成多少好呢？
• HotSpot的內部類型也是Java對象：它可能會在Full GC中被移動，同時它對應用不透明，且是非強類型的，難以跟蹤調試，還須要存儲元數據的元數據信息（meta-metadata）。
• 簡化Full GC：每個回收器有專門的元數據迭代器。
• 能夠在GC不進行暫停的狀況下併發地釋放類數據。
• 使得原來受限於持久代的一些改進將來有可能實現

那麼JVM的元數據都去哪兒了？

元空間(metaspace)

持久代的空間被完全地刪除了，它被一個叫元空間的區域所替代了。持久代刪除了以後，很明顯，JVM會忽略PermSize和MaxPermSize這兩個參數，還有就是你再也看不到java.lang.OutOfMemoryError: PermGen error的異常了。

JDK 8的HotSpot JVM如今使用的是本地內存來表示類的元數據，這個區域就叫作元空間。

元空間的特色：

• 充分利用了Java語言規範中的好處：類及相關的元數據的生命週期與類加載器的一致。
• 每一個加載器有專門的存儲空間
• 只進行線性分配
• 不會單獨回收某個類
• 省掉了GC掃描及壓縮的時間
• 元空間裏的對象的位置是固定的
• 若是GC發現某個類加載器再也不存活了，會把相關的空間整個回收掉

元空間的內存分配模型

• 絕大多數的類元數據的空間都從本地內存中分配
• 用來描述類元數據的類也被刪除了
• 分元數據分配了多個虛擬內存空間
• 給每一個類加載器分配一個內存塊的列表。塊的大小取決於類加載器的類型; sun/反射/代理對應的類加載器的塊會小一些
• 歸還內存塊，釋放內存塊列表
• 一旦元空間的數據被清空了，虛擬內存的空間會被回收掉
• 減小碎片的策略

咱們來看下JVM是如何給元數據分配虛擬內存的空間的

你能夠看到虛擬內存空間是如何分配的(vs1,vs2,vs3) ，以及類加載器的內存塊是如何分配的。CL是Class Loader的縮寫。

理解_mark和_klass指針

要想理解下面這張圖，你得搞清楚這些指針都是什麼東西。

JVM中，每一個對象都有一個指向它自身類的指針，不過這個指針只是指向具體的實現類，而不是接口或者抽象類。

對於32位的JVM:

_mark : 4字節常量

_klass: 指向類的4字節指針 對象的內存佈局中的第二個字段( _klass，在32位JVM中，相對對象在內存中的位置的偏移量是4，64位的是8)指向的是內存中對象的類定義。

64位的JVM：

_mark : 8字節常量

_klass: 指向類的8字節的指針

開啓了指針壓縮的64位JVM： _mark : 8字節常量

_klass: 指向類的4字節的指針

Java對象的內存佈局

類指針壓縮空間（Compressed Class Pointer Space）

只有是64位平臺上啓用了類指針壓縮纔會存在這個區域。對於64位平臺，爲了壓縮JVM對象中的_klass指針的大小，引入了類指針壓縮空間（Compressed Class Pointer Space）。

壓縮指針後的內存佈局

指針壓縮概要

• 64位平臺上默認打開

• 使用-XX:+UseCompressedOops壓縮對象指針 "oops"指的是普通對象指針("ordinary" object pointers)。 Java堆中對象指針會被壓縮成32位。 使用堆基地址（若是堆在低26G內存中的話，基地址爲0）

• 使用-XX:+UseCompressedClassPointers選項來壓縮類指針

• 對象中指向類元數據的指針會被壓縮成32位

• 類指針壓縮空間會有一個基地址

元空間和類指針壓縮空間的區別

• 類指針壓縮空間只包含類的元數據，好比InstanceKlass, ArrayKlass 僅當打開了UseCompressedClassPointers選項才生效 爲了提升性能，Java中的虛方法表也存放到這裏 這裏到底存放哪些元數據的類型，目前仍在減小

• 元空間包含類的其它比較大的元數據，好比方法，字節碼，常量池等。

元空間的調優

使用-XX:MaxMetaspaceSize參數能夠設置元空間的最大值，默認是沒有上限的，也就是說你的系統內存上限是多少它就是多少。-XX:MetaspaceSize選項指定的是元空間的初始大小，若是沒有指定的話，元空間會根據應用程序運行時的須要動態地調整大小。

MaxMetaspaceSize的調優

• -XX:MaxMetaspaceSize={unlimited}
• 元空間的大小受限於你機器的內存
• 限制類的元數據使用的內存大小，以避免出現虛擬內存切換以及本地內存分配失敗。若是懷疑有類加載器出現泄露，應當使用這個參數；32位機器上，若是地址空間可能會被耗盡，也應當設置這個參數。
• 元空間的初始大小是21M——這是GC的初始的高水位線，超過這個大小會進行Full GC來進行類的回收。
• 若是啓動後GC過於頻繁，請將該值設置得大一些
• 能夠設置成和持久代同樣的大小，以便推遲GC的執行時間

CompressedClassSpaceSize的調優

• 只有當-XX:+UseCompressedClassPointers開啓了纔有效
• -XX:CompressedClassSpaceSize=1G
• 因爲這個大小在啓動的時候就固定了的，所以最好設置得大點。
• 沒有使用到的話不要進行設置
• JVM後續可能會讓這個區能夠動態的增加。不須要是連續的區域，只要從基地址可達就行；可能會將更多的類元信息放回到元空間中；將來會基於PredictedLoadedClassCount的值來自動的設置該空間的大小

元空間的一些工具

• jmap -permstat改爲了jmap -clstats。它用來打印Java堆的類加載器的統計數據。對每個類加載器，會輸出它的名字，是否存活，地址，父類加載器，以及它已經加載的類的數量及大小。除此以外，駐留的字符串（intern）的數量及大小也會打印出來。
• jstat -gc，這個命令輸出的是元空間的信息而非持久代的
• jcmd GC.class_stats提供類元數據大小的詳細信息。使用這個功能啓動程序時須要加上-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions選項。

提升GC的性能

若是你理解了元空間的概念，很容易發現GC的性能獲得了提高。

• Full GC中，元數據指向元數據的那些指針都不用再掃描了。不少複雜的元數據掃描的代碼（尤爲是CMS裏面的那些）都刪除了。
• 元空間只有少許的指針指向Java堆。這包括：類的元數據中指向java/lang/Class實例的指針;數組類的元數據中，指向java/lang/Class集合的指針。
• 沒有元數據壓縮的開銷
• 減小了根對象的掃描（再也不掃描虛擬機裏面的已加載類的字典以及其它的內部哈希表）
• 減小了Full GC的時間
• G1回收器中，併發標記階段完成後能夠進行類的卸載

總結

• Hotspot中的元數據如今存儲到了元空間裏。mmap中的內存塊的生命週期與類加載器的一致。
• 類指針壓縮空間（Compressed class pointer space）目前仍然是固定大小的，但它的空間較大
• 能夠進行參數的調優，不過這不是必需的。
• 將來可能會增長其它的優化及新特性。好比， 應用程序類數據共享；新生代GC優化，G1回收器進行類的回收；減小元數據的大小，以及JVM內部對象的內存佔用量。

原創文章轉載請註明出處：Java 8的元空間 英文原文連接