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JDK 1.8 JVM內部結構改變_元空間(Metaspace)取代永久代(PermGen)

一、JVM 執行時資料區

  根據 JVM 規範,JVM 執行時資料區共分為虛擬機器棧、堆、方法區、程式計數器、本地方法棧五個部分。

  1、虛擬機器棧:每個執行緒有一個私有的棧,隨著執行緒的建立而建立。棧裡面存著的是一種叫“棧幀”的東西,每個方法會建立一個棧幀,棧幀中存放了區域性變量表(基本資料型別和物件引用)、運算元棧、方法出口等資訊。棧的大小可以固定也可以動態擴充套件。當棧呼叫深度大於JVM所允許的範圍,會丟擲StackOverflowError的錯誤,不過這個深度範圍不是一個恆定的值,我們通過下面這段程式可以測試一下這個結果:

棧溢位測試原始碼:

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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();

}

}

}

程式碼段 1

執行三次,可以看出每次棧的深度都是不一樣的,輸出結果如下。

至於紅色框裡的值是怎麼出來的,就需要深入到 JVM 的原始碼中才能探討,這裡不作詳細闡述。

虛擬機器棧除了上述錯誤外,還有另一種錯誤,那就是當申請不到空間時,會丟擲 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 都不屬於 Exception 的子類。

  2、本地方法棧:

  這部分主要與虛擬機器用到的 Native 方法相關,一般情況下, Java 應用程式設計師並不需要關心這部分的內容。

  3、PC 暫存器:

  PC 暫存器,也叫程式計數器。JVM支援多個執行緒同時執行,每個執行緒都有自己的程式計數器。倘若當前執行的是 JVM 的方法,則該暫存器中儲存當前執行指令的地址;倘若執行的是native 方法,則PC暫存器中為空。

  4、堆

  堆記憶體是 JVM 所有執行緒共享的部分,在虛擬機器啟動的時候就已經建立。所有的物件和陣列都在堆上進行分配。這部分空間可通過 GC 進行回收。當申請不到空間時會丟擲 OutOfMemoryError。下面我們簡單的模擬一個堆記憶體溢位的情況:

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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大小的陣列物件

}catch (Throwable e){

e.printStackTrace();

flag = false;

System.out.println("count="+i);//記錄執行的次數

}

}

}

}

程式碼段 2

執行上述程式碼,輸出結果如下:  

   

注意,這裡我指定了堆記憶體的大小為16M,所以這個地方顯示的count=14(這個數字不是固定的),至於為什麼會是14或其他數字,需要根據 GC 日誌來判斷。

  5、方法區:

  方法區也是所有執行緒共享。主要用於儲存類的資訊、常量池、方法資料、方法程式碼等。方法區邏輯上屬於堆的一部分,但是為了與堆進行區分,通常又叫“非堆”。 關於方法區記憶體溢位的問題會在下文中詳細探討。

二、PermGen(永久代)

  絕大部分 Java 程式設計師應該都見過 "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”又有著本質的區別。前者是 JVM 的規範,而後者則是 JVM 規範的一種實現,並且只有 HotSpot 才有 “PermGen space”,而對於其他型別的虛擬機器,如 JRockit(Oracle)、J9(IBM) 並沒有“PermGen space”。由於方法區主要儲存類的相關資訊,所以對於動態生成類的情況比較容易出現永久代的記憶體溢位。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位。我們現在通過動態生成類來模擬 “PermGen space”的記憶體溢位:

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package com.paddx.test.memory;

public class Test {

}

 程式碼段 3

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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();

}

}

}

程式碼段 4

執行結果如下:

  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物件來載入Test類,從而生成不同的類物件,這樣就能看到我們熟悉的 "java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space " 異常了。這裡之所以採用 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,儲存在永久代的部分資料就已經轉移到了Java Heap或者是 Native Heap。但永久代仍存在於JDK1.7中,並沒完全移除,譬如符號引用(Symbols)轉移到了native heap;字面量(interned strings)轉移到了java heap;類的靜態變數(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 的區別,以字串常量為例:

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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());

}

}

}

這段程式以2的指數級不斷的生成新的字串,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 分別執行:

JDK 1.6 的執行結果:

JDK 1.7的執行結果:

JDK 1.8的執行結果:

  從上述結果可以看出,JDK 1.6下,會出現“PermGen Space”的記憶體溢位,而在 JDK 1.7和 JDK 1.8 中,會出現堆記憶體溢位,並且 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 將字串常量由永久代轉移到堆中,並且 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器中,而是使用本地記憶體。因此,預設情況下,元空間的大小僅受本地記憶體限制,但可以通過以下引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型別解除安裝,同時GC會對該值進行調整:如果釋放了大量的空間,就適當降低該值;如果釋放了很少的空間,那麼在不超過MaxMetaspaceSize時,適當提高該值。
  -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,減少為分配空間所導致的垃圾收集
  -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致的垃圾收集

現在我們在 JDK 8下重新執行一下程式碼段 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位,而是出現了元空間的溢位。

元空間的另一個優勢

HotSpot的永久代:原來的jar包及你自己專案的class存放的記憶體空間,這部分空間是固定的,啟動引數裡面permSize確定,如果你的jar包很多,經常會遇到永久代溢位,且每個專案都會佔用自己的permGen空間。
改成用元空間後,各個專案會共享同樣的class記憶體空間,比如兩個專案都用了fast-json開源包,在元空間裡面只存一份class,提高記憶體利用率,且更利於垃圾回收。

四、總結

JDK 1.8為什麼要做這個更新呢?最後給大家總結以下幾點原因:

  1、字串存在永久代中,容易出現效能問題和記憶體溢位。

  2、類及方法的資訊等比較難確定其大小,因此對於永久代的大小指定比較困難,太小容易出現永久代溢位,太大則容易導致老年代溢位。

  3、永久代會為 GC 帶來不必要的複雜度,並且回收效率偏低。

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