Java8中內存模型PermGen Metaspace的示例分析

這篇文章主要介紹了Java8中內存模型PermGen Metaspace的示例分析，具有一定借鑒價值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

一、JVM 內存模型

　　根據 JVM 規范，JVM 內存共分為虛擬機棧、堆、方法區、程序計數器、本地方法棧五個部分。

　　1、虛擬機棧：每個線程有一個私有的棧，隨著線程的創建而創建。棧里面存著的是一種叫“棧幀”的東西，每個方法會創建一個棧幀，棧幀中存放了局部變量表（基本數據類型和對象引用）、操作數棧、方法出口等信息。棧的大小可以固定也可以動態擴展。當棧調用深度大于JVM所允許的范圍，會拋出StackOverflowError的錯誤，不過這個深度范圍不是一個恒定的值，我們通過下面這段程序可以測試一下這個結果：

棧溢出測試源碼：

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();
    }
  }
}

代碼段 1

運行三次，可以看出每次棧的深度都是不一樣的，輸出結果如下。

至于紅色框里的值是怎么出來的，就需要深入到 JVM 的源碼中才能探討，這里不作詳細闡述。

虛擬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，會拋出 OutOfMemoryError。這里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：

　　這部分主要與虛擬機用到的 Native 方法相關，一般情況下， Java 應用程序員并不需要關心這部分的內容。

　　3、PC 寄存器：

　　PC 寄存器，也叫程序計數器。JVM支持多個線程同時運行，每個線程都有自己的程序計數器。倘若當前執行的是 JVM 的方法，則該寄存器中保存當前執行指令的地址；倘若執行的是native 方法，則PC寄存器中為空。

　　4、堆

　　堆內存是 JVM 所有線程共享的部分，在虛擬機啟動的時候就已經創建。所有的對象和數組都在堆上進行分配。這部分空間可通過 GC 進行回收。當申請不到空間時會拋出 OutOfMemoryError。下面我們簡單的模擬一個堆內存溢出的情況：

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]);//每次增加一個1M大小的數組對象
      }catch (Throwable e){
        e.printStackTrace();
        flag = false;
        System.out.println("count="+i);//記錄運行的次數
      }
    }
  }
}

代碼段 2

運行上述代碼，輸出結果如下：　　

注意，這里我指定了堆內存的大小為16M，所以這個地方顯示的count=14（這個數字不是固定的），至于為什么會是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。主要用于存儲類的信息、常量池、方法數據、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”。 關于方法區內存溢出的問題會在下文中詳細探討。

二、PermGen（永久代）

　　絕大部分 Java 程序員應該都見過 "java.lang.OutOfMemoryError:PermGenspace"這個異常。這里的 “PermGen space”其實指的就是方法區。不過方法區和“PermGen space”又有著本質的區別。前者是 JVM 的規范，而后者則是 JVM 規范的一種實現，并且只有 HotSpot 才有“PermGen space”，而對于其他類型的虛擬機，如 JRockit（Oracle）、J9（IBM） 并沒有“PermGen space”。由于方法區主要存儲類的相關信息，所以對于動態生成類的情況比較容易出現永久代的內存溢出。最典型的場景就是，在 jsp 頁面比較多的情況，容易出現永久代內存溢出。我們現在通過動態生成類來模擬 “PermGenspace”的內存溢出：

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

代碼段 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();
    }
  }
}

代碼段 4

運行結果如下：

　　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，從而生成不同的類對象，這樣就能看到我們熟悉的"java.lang.OutOfMemoryError:PermGenspace" 異常了。這里之所以采用 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 的區別。

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數據就已經轉移到了Java Heap或者是 Native Heap。但永久代仍存在于JDK1.7中，并沒完全移除，譬如符號引用(Symbols)轉移到了native heap；字面量(interned strings)轉移到了java heap；類的靜態變量(class statics)轉移到了java heap。我們可以通過一段程序來比較 JDK 1.6 與 JDK 1.7及 JDK 1.8 的區別，以字符串常量為例：

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());
    }
  }
}

這段程序以2的指數級不斷的生成新的字符串，這樣可以比較快速的消耗內存。我們通過 JDK 1.6、JDK 1.7 和 JDK 1.8 分別運行：

JDK 1.6 的運行結果：

JDK 1.7的運行結果：

JDK 1.8的運行結果：

　　從上述結果可以看出，JDK 1.6下，會出現“PermGen Space”的內存溢出，而在 JDK 1.7和 JDK 1.8 中，會出現堆內存溢出，并且 JDK 1.8中 PermSize 和 MaxPermGen 已經無效。因此，可以大致驗證 JDK 1.7 和 1.8 將字符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么東西？

　　元空間的本質和永久代類似，都是對JVM規范中方法區的實現。不過元空間與永久代之間最大的區別在于：元空間并不在虛擬機中，而是使用本地內存。因此，默認情況下，元空間的大小僅受本地內存限制，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卸載，同時GC會對該值進行調整：如果釋放了大量的空間，就適當降低該值；如果釋放了很少的空間，那么在不超過MaxMetaspaceSize時，適當提高該值。
　　-XX:MaxMetaspaceSize，最大空間，默認是沒有限制的。

　　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之后，最小的Metaspace剩余空間容量的百分比，減少為分配空間所導致的垃圾收集
　　-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最大的Metaspace剩余空間容量的百分比，減少為釋放空間所導致的垃圾收集

現在我們在 JDK 8下重新運行一下代碼段 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，大家應該大致了解了 JVM 的內存劃分，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，就是為什么要做這個轉換？所以，最后給大家總結以下幾點原因：

　　1、字符串存在永久代中，容易出現性能問題和內存溢出。

　　2、類及方法的信息等比較難確定其大小，因此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，太大則容易導致老年代溢出。

　　3、永久代會為 GC 帶來不必要的復雜度，并且回收效率偏低。

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

Java有哪些集合類

Java中的集合主要分為四類：1、List列表：有序的，可重復的；2、Queue隊列：有序，可重復的；3、Set集合：不可重復；4、Map映射：無序，鍵唯一，值不唯一。

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