深刻理解JVM虛擬機1：JVM內存的結構與永久代的消失

全部的Java開發人員可能會遇到這樣的困惑？我該爲堆內存設置多大空間呢？OutOfMemoryError的異常到底涉及到運行時數據的哪塊區域？該怎麼解決呢？其實若是你常常解決服務器性能問題，那麼這些問題就會變的很是常見，瞭解JVM內存也是爲了服務器出現性能問題的時候能夠快速的瞭解那塊的內存區域出現問題，以便於快速的解決生產故障。

先看一張圖，這張圖能很清晰的說明JVM內存結構佈局。

JVM內存結構主要有三大塊：堆內存、方法區和棧。堆內存是JVM中最大的一塊由年輕代和老年代組成，而年輕代內存又被分紅三部分，Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間,默認狀況下年輕代按照8:1:1的比例來分配；

方法區存儲類信息、常量、靜態變量等數據，是線程共享的區域，爲與Java堆區分，方法區還有一個別名Non-Heap(非堆)；棧又分爲java虛擬機棧和本地方法棧主要用於方法的執行。

在經過一張圖來了解如何經過參數來控制各區域的內存大小

控制參數

• -Xms設置堆的最小空間大小。
• -Xmx設置堆的最大空間大小。
• -XX:NewSize設置新生代最小空間大小。
• -XX:MaxNewSize設置新生代最大空間大小。
• -XX:PermSize設置永久代最小空間大小。
• -XX:MaxPermSize設置永久代最大空間大小。
• -Xss設置每一個線程的堆棧大小。

沒有直接設置老年代的參數，可是能夠設置堆空間大小和新生代空間大小兩個參數來間接控制。

老年代空間大小=堆空間大小-年輕代大空間大小

從更高的一個維度再次來看JVM和系統調用之間的關係

方法區和對是全部線程共享的內存區域；而java棧、本地方法棧和程序員計數器是運行是線程私有的內存區域。

下面咱們詳細介紹每一個區域的做用

Java堆（Heap）

對於大多數應用來講，Java堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java堆是被全部線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啓動時建立。此內存區域的惟一目的就是存放對象實例，幾乎全部的對象實例都在這裏分配內存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，所以不少時候也被稱作「GC堆」。若是從內存回收的角度看，因爲如今收集器基本都是採用的分代收集算法，因此Java堆中還能夠細分爲：新生代和老年代；再細緻一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。

根據Java虛擬機規範的規定，Java堆能夠處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的便可，就像咱們的磁盤空間同樣。在實現時，既能夠實現成固定大小的，也能夠是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（經過-Xmx和-Xms控制）。

若是在堆中沒有內存完成實例分配，而且堆也沒法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

方法區（Method Area）

方法區（Method Area）與Java堆同樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據。雖然Java虛擬機規範把方法區描述爲堆的一個邏輯部分，可是它卻有一個別名叫作Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。

對於習慣在HotSpot虛擬機上開發和部署程序的開發者來講，不少人願意把方法區稱爲「永久代」（Permanent Generation），本質上二者並不等價，僅僅是由於HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已。

Java虛擬機規範對這個區域的限制很是寬鬆，除了和Java堆同樣不須要連續的內存和能夠選擇固定大小或者可擴展外，還能夠選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行爲在這個區域是比較少出現的，但並不是數據進入了方法區就如永久代的名字同樣「永久」存在了。這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，通常來講這個區域的回收「成績」比較難以使人滿意，尤爲是類型的卸載，條件至關苛刻，可是這部分區域的回收確實是有必要的。

根據Java虛擬機規範的規定，當方法區沒法知足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

方法區有時被稱爲持久代（PermGen）。

全部的對象在實例化後的整個運行週期內，都被存放在堆內存中。堆內存又被劃分紅不一樣的部分：伊甸區(Eden)，倖存者區域(Survivor Sapce)，老年代（Old Generation Space）。

方法的執行都是伴隨着線程的。原始類型的本地變量以及引用都存放在線程棧中。而引用關聯的對象好比String，都存在在堆中。爲了更好的理解上面這段話，咱們能夠看一個例子：

<pre>import java.text.SimpleDateFormat;import java.util.Date;import org.apache.log4j.Logger;
public class HelloWorld {
   private static Logger LOGGER = Logger.getLogger(HelloWorld.class.getName());
   public void sayHello(String message) {
       SimpleDateFormat formatter = new SimpleDateFormat("dd.MM.YYYY");
       String today = formatter.format(new Date());
       LOGGER.info(today + ": " + message);
   }}
</pre>

這段程序的數據在內存中的存放以下：

經過JConsole工具能夠查看運行中的Java程序（好比Eclipse）的一些信息：堆內存的分配，線程的數量以及加載的類的個數；

程序計數器（Program Counter Register）

程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它的做用能夠看作是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型裏（僅是概念模型，各類虛擬機可能會經過一些更高效的方式去實現），字節碼解釋器工做時就是經過改變這個計數器的值來選取下一條須要執行的字節碼指令，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都須要依賴這個計數器來完成。

因爲Java虛擬機的多線程是經過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個肯定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來講是一個內核）只會執行一條線程中的指令。所以，爲了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都須要有一個獨立的程序計數器，各條線程之間的計數器互不影響，獨立存儲，咱們稱這類內存區域爲「線程私有」的內存。

若是線程正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；若是正在執行的是Natvie方法，這個計數器值則爲空（Undefined）。

此內存區域是惟一一個在Java虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError狀況的區域。

JVM棧（JVM Stacks）

與程序計數器同樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命週期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型：每一個方法被執行的時候都會同時建立一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操做棧、動態連接、方法出口等信息。每個方法被調用直至執行完成的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

局部變量表存放了編譯期可知的各類基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它不等同於對象自己，根據不一樣的虛擬機實現，它多是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能指向一個表明對象的句柄或者其餘與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節碼指令的地址）。

其中64位長度的long和double類型的數據會佔用2個局部變量空間（Slot），其他的數據類型只佔用1個。局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法須要在幀中分配多大的局部變量空間是徹底肯定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

在Java虛擬機規範中，對這個區域規定了兩種異常情況：若是線程請求的棧深度大於虛擬機所容許的深度，將拋出StackOverflowError異常；若是虛擬機棧能夠動態擴展（當前大部分的Java虛擬機均可動態擴展，只不過Java虛擬機規範中也容許固定長度的虛擬機棧），當擴展時沒法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryError異常。

本地方法棧（Native Method Stacks）

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發揮的做用是很是類似的，其區別不過是虛擬機棧爲虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則是爲虛擬機使用到的Native方法服務。虛擬機規範中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數據結構並無強制規定，所以具體的虛擬機能夠自由實現它。甚至有的虛擬機（譬如Sun HotSpot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二爲一。與虛擬機棧同樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

哪兒的OutOfMemoryError

對內存結構清晰的認識一樣能夠幫助理解不一樣OutOfMemoryErrors：

<pre>Exception in thread 「main」: java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
</pre>

緣由：對象不能被分配到堆內存中

<pre>Exception in thread 「main」: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
</pre>

緣由：類或者方法不能被加載到持久代。它可能出如今一個程序加載不少類的時候，好比引用了不少第三方的庫；

<pre>Exception in thread 「main」: java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
</pre>

緣由：建立的數組大於堆內存的空間

<pre>Exception in thread 「main」: java.lang.OutOfMemoryError: request <size> bytes for <reason>. Out of swap space?
</pre>

緣由：分配本地分配失敗。JNI、本地庫或者Java虛擬機都會從本地堆中分配內存空間。

<pre>Exception in thread 「main」: java.lang.OutOfMemoryError: <reason> <stack trace>（Native method）
</pre>

緣由：一樣是本地方法內存分配失敗，只不過是JNI或者本地方法或者Java虛擬機發現

JDK8-廢棄永久代（PermGen）迎來元空間（Metaspace）

1.背景

2.爲何廢棄永久代（PermGen）

3.深刻理解元空間（Metaspace）

4.總結

========正文分割線=====

1、背景

1.1 永久代（PermGen）在哪裏？

根據，hotspot jvm結構以下(虛擬機棧和本地方法棧合一塊兒了)：

上圖引自網絡，但有個問題：方法區和heap堆都是線程共享的內存區域。

關於方法區和永久代：

在HotSpot JVM中，此次討論的永久代，就是上圖的方法區（JVM規範中稱爲方法區）。《Java虛擬機規範》只是規定了有方法區這麼個概念和它的做用，並無規定如何去實現它。在其餘JVM上不存在永久代。

1.2 JDK8永久代的廢棄

JDK8 永久代變化以下圖：

1.新生代：Eden+From Survivor+To Survivor

2.老年代：OldGen

3.永久代（方法區的實現） : PermGen----->替換爲Metaspace(本地內存中)

 2、爲何廢棄永久代（PermGen）

 2.1 官方說明

參照JEP122：http://openjdk.java.net/jeps/122，原文截取：

Motivation

This is part of the JRockit and Hotspot convergence effort. JRockit customers do not need to configure the permanent generation (since JRockit does not have a permanent generation) and are accustomed to not configuring the permanent generation.

 即：移除永久代是爲融合HotSpot JVM與 JRockit VM而作出的努力，由於JRockit沒有永久代，不須要配置永久代。

 2.2 現實使用中易出問題

因爲永久代內存常常不夠用或發生內存泄露，爆出異常java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

其實在JDK7時就已經逐步把永久代的內容移動到其餘區域了，好比移動到native區，移動到堆區等，而JDK8則是則是廢除了永久代，改用元數據。

3、深刻理解元空間（Metaspace）

3.1元空間的內存大小

元空間是方法區的在HotSpot jvm 中的實現，方法區主要用於存儲類的信息、常量池、方法數據、方法代碼等。方法區邏輯上屬於堆的一部分，可是爲了與堆進行區分，一般又叫「非堆」。

元空間的本質和永久代相似，都是對JVM規範中方法區的實現。不過元空間與永久代之間最大的區別在於：元空間並不在虛擬機中，而是使用本地內存。，理論上取決於32位/64位系統可虛擬的內存大小。可見也不是無限制的，須要配置參數。

3.2經常使用配置參數

1.MetaspaceSize

初始化的Metaspace大小，控制元空間發生GC的閾值。GC後，動態增長或下降MetaspaceSize。在默認狀況下，這個值大小根據不一樣的平臺在12M到20M浮動。使用Java -XX:+PrintFlagsInitial命令查看本機的初始化參數

2.MaxMetaspaceSize

限制Metaspace增加的上限，防止由於某些狀況致使Metaspace無限的使用本地內存，影響到其餘程序。在本機上該參數的默認值爲4294967295B（大約4096MB）。

3.MinMetaspaceFreeRatio

當進行過Metaspace GC以後，會計算當前Metaspace的空閒空間比，若是空閒比小於這個參數（即實際非空閒佔比過大，內存不夠用），那麼虛擬機將增加Metaspace的大小。默認值爲40，也就是40%。設置該參數能夠控制Metaspace的增加的速度，過小的值會致使Metaspace增加的緩慢，Metaspace的使用逐漸趨於飽和，可能會影響以後類的加載。而太大的值會致使Metaspace增加的過快，浪費內存。

4.MaxMetasaceFreeRatio

當進行過Metaspace GC以後， 會計算當前Metaspace的空閒空間比，若是空閒比大於這個參數，那麼虛擬機會釋放Metaspace的部分空間。默認值爲70，也就是70%。

5.MaxMetaspaceExpansion

Metaspace增加時的最大幅度。在本機上該參數的默認值爲5452592B（大約爲5MB）。

6.MinMetaspaceExpansion

Metaspace增加時的最小幅度。在本機上該參數的默認值爲340784B（大約330KB爲）。

3.3測試並追蹤元空間大小

 3.3.1.測試字符串常量

<pre> 1 public class StringOomMock {
2 static String base = "string";
3
4 public static void main(String[] args) {
5 List<String> list = new ArrayList<String>();
6 for (int i=0;i< Integer.MAX_VALUE;i++){
7 String str = base + base;
8 base = str;
9 list.add(str.intern());
10 }
11 }
12 }
</pre>

在eclipse中選中類--》run configuration-->java application--》new 參數以下：

 因爲設定了最大內存20M，很快就溢出，以下圖：

 可見在jdk8中：

1.字符串常量由永久代轉移到堆中。

2.持久代已不存在，PermSize MaxPermSize參數已移除。（看圖中最後兩行）

3.3.2.測試元空間溢出

根據定義，咱們以加載類來測試元空間溢出，代碼以下：

<pre> 1 package jdk8;
2
3 import java.io.File;
4 import java.lang.management.ClassLoadingMXBean;
5 import java.lang.management.ManagementFactory;
6 import java.net.URL;
7 import java.net.URLClassLoader;
8 import java.util.ArrayList;
9 import java.util.List;
10
11 /**
12 *
13 * @ClassName:OOMTest
14 * @Description:模擬類加載溢出（元空間oom）
15 * @author diandian.zhang
16 * @date 2017年4月27日上午9:45:40
17 */
18 public class OOMTest {
19 public static void main(String[] args) {
20 try {
21 //準備url
22 URL url = new File("D:/58workplace/11study/src/main/java/jdk8").toURI().toURL();
23 URL[] urls = {url};
24 //獲取有關類型加載的JMX接口
25 ClassLoadingMXBean loadingBean = ManagementFactory.getClassLoadingMXBean();
26 //用於緩存類加載器
27 List<ClassLoader> classLoaders = new ArrayList<ClassLoader>();
28 while (true) {
29 //加載類型並緩存類加載器實例
30 ClassLoader classLoader = new URLClassLoader(urls);
31 classLoaders.add(classLoader);
32 classLoader.loadClass("ClassA");
33 //顯示數量信息（共加載過的類型數目，當前還有效的類型數目，已經被卸載的類型數目）
34 System.out.println("total: " + loadingBean.getTotalLoadedClassCount());
35 System.out.println("active: " + loadingBean.getLoadedClassCount());
36 System.out.println("unloaded: " + loadingBean.getUnloadedClassCount());
37 }
38 } catch (Exception e) {
39 e.printStackTrace();
40 }
41 }
42 }
</pre>

爲了快速溢出，設置參數：-XX:MetaspaceSize=8m -XX:MaxMetaspaceSize=80m，運行結果以下：

 上圖證明了，咱們的JDK8中類加載（方法區的功能）已經不在永久代PerGem中了，而是Metaspace中。能夠配合JVisualVM來看，更直觀一些。

 4、總結

本文講解了元空間（Metaspace）的由來和本質，經常使用配置，以及監控測試。元空間的大小是動態變動的，但不是無限大的，最好也時常關注一下大小，以避免影響服務器內存。

微信公衆號【黃小斜】大廠程序員，互聯網行業新知，終身學習踐行者。關注後回覆「Java」、「Python」、「C++」、「大數據」、「機器學習」、「算法」、「AI」、「Android」、「前端」、「iOS」、「考研」、「BAT」、「校招」、「筆試」、「面試」、「面經」、「計算機基礎」、「LeetCode」 等關鍵字能夠獲取對應的免費學習資料。