我們都知道，Java程式碼是要執行在虛擬機器上的，而虛擬機器在執行Java程式的過程中會把所管理的記憶體劃分為若干個不同的資料區域，這些區域都有各自的用途。

其中有些區域隨著虛擬機器程序的啟動而存在，而有些區域則依賴使用者執行緒的啟動和結束而建立和銷燬。在《Java虛擬機器規範（Java SE 8）》中描述了JVM執行時記憶體區域結構如下：

圖片來源於網上。

程式計數器（Program Counter Register）

該區域劃分了一塊較小的記憶體空間，他可以看作是當前執行緒多執行的位元組碼的訊號指示器。

在任何一個確定的時刻，一個處理器（對於多核心來說是一個核心）都只會執行一條執行緒中的指令。因此，為了執行緒切換後能恢復到正確的執行位置，每條執行緒都需要一個獨立的程式計數器，通過改變計數器的值來指定下一條需要執行的位元組碼指令。我們稱這類記憶體區域為“執行緒私有”記憶體。

如果當前執行的是 Java 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（Undefined）。此記憶體區域是唯一一個在Java虛擬機器規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

Java虛擬機器棧

虛擬機器棧描述的是Java方法執行的記憶體模型，每個方法從呼叫直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機器棧中入棧到出棧的過程。它的生命週期與執行緒相同。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。

區域性變量表裡存放了編譯期間可知的各種基本資料型別（8種）、物件引用、returnAddress型別（指向一條位元組碼指令的地址）。64位長度的long和double型別佔用2個區域性變數空間（Slot），其餘資料型別只佔用一個。區域性變量表所需的記憶體空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的區域性變數空間是完全確定的，在方法執行期間不會改變區域性變量表的大小。

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。如果擴充套件時無法申請到足夠的記憶體，會丟擲OutOfMemoryError異常。

本地方法棧（Native Method Stack）

與虛擬機器棧類似，區別是虛擬機器棧執行java方法，本地方法站執行native方法。在虛擬機器規範中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方法與資料結構沒有強制規定，因此虛擬機器可以自由實現它。本地方法棧也可以丟擲StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

Java堆

Java堆是被所有執行緒共享的一塊記憶體區域，在虛擬機器啟動時建立，用來存放物件例項。該區域時JVM所管理的記憶體中最大的一塊區域。垃圾收集器（GC）作用於該區域，用來回收不使用的物件的記憶體空間。

堆的大小可以固定也可以動態擴充套件，可通過-Xms（最小值）和-Xmx（最大值）引數設定，如果在堆中沒有記憶體完成例項分配，且堆也無法在擴充套件時，會丟擲OutOfMemoryError異常。

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、靜態變數、及時編譯器編譯後的程式碼等資料。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“Non-Heap（非堆）”。

方法區的大小可以通過-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize引數來設定。當方法區無法滿足記憶體分配的需求時，丟擲OutOfMemoryError異常。

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。

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。

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

總結

為什麼從永久代切換到元空間？

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。

參考：