Java8内存模型

一、JVM内存模型

内存空间(Runtime Data Area)中可以按照是否线程共享分为两块，线程共享的是方法区(Method Area)和堆(Heap)，线程独享的是Java虚拟机栈(Java Stack)，本地方法栈(Native Method Stack)和PC寄存器(Program Counter Register)。具体参见下图：

1.虚拟机栈：

每个线程有一个私有的栈，随着线程的创建而创建。栈里面存放着一种叫做“栈帧”的东西，每个方法会创建一个栈帧，栈帧中存放了局部变量表(基本数据类型和对象引用)、操作数栈、方法出口等信息。栈的大小可以固定也可以动态扩展。当栈调用深度大于JVM所允许的范围，会抛出StackOverflowError的错误，不过这个深度范围不是一个恒定的值，我们通过下面这段程序可以测试一下这个结果：

   
   
// 栈溢出测试源码

package com.paddx.test.memory;

/**
* Created by root on 2/28/17.
*/
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();
}
}
}
  
  

运行三次，可以看出每次栈的深度都是不一样的，输出结果如下：

查看三张结果图，可以看出每次的Stack deep值都有所不同。究其原因，就需要深入到JVM的源码中才能探讨，这里不作赘述。

虚拟机栈除了上述错误外，还有另一种错误，那就是当申请不到空间时，会抛出OutOfMemoryError。这里有一个小细节需要注意，catch捕获的是Throwable，而不是Exception，这是因为StackOverflowError和OutOfMemoryError都不属于Exception的子类。

2.本地方法栈：

这部分主要与虚拟机用到的Native方法相关，一般情况下，Java应用程序员并不需要关系这部分内容。

3.PC寄存器：

PC寄存器，也叫程序计数器。JVM支持多个线程同时运行，每个线程都有自己的程序计数器。倘若当前执行的是JVM方法，则该寄存器中保存当前执行指令的地址；倘若执行的是native方法，则PC寄存器为空。

4.堆：

堆内存是JVM所有线程共享的部分，在虚拟机启动的时候就已经创建。所有的对象和数组都在堆上进行分配。这部分空间可通过GC进行回收。当申请不到空间时，会抛出OutOfMemoryError。下面我们简单的模拟一个堆内存溢出的情况：

   
   
package com.paddx.test.memory;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
* Created by root on 2/28/17.
*/
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1M大小的数组对象
} catch(Throwable e) {
e.printStackTrace();
flag = false;
System.out.println( "Count = " + i); // 记录运行的次数
}
}
}
}
  
  

首先配置运行时虚拟机的启动参数：

然后运行代码，输出结果如下：

注意，这里我们指定了堆内存的大小为16M，所以这个地方显示的Count=13(这个数字不是固定的)，至于为什么会是13或其他数字，需要根据GC日志来判断。

5.方法区：

方法区也是所有线程共享的。主要用于存储类的信息、常量池、方法数据、方法代码等。方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常又叫“非堆”。关于方法区的内存溢出问题会在下文中详细讨论。

二、PermGen(永久代)

绝大部分Java程序员应该都见过“java.lang.OutOfMemoryError: PremGen space”异常。这里的“PermGen space”其实指的就是方法区。不过方法区和“PermGen space”又有着本质的区别。前者是JVM的规范，而后者则是JVM规范的一种实现，并且只有HotSpot才有“PermGen space”，而对于其他类型的虚拟机，如JRockit(Oracle)、J9(IBM)并没有“PermGen space”。由于方法区主要存储类的相关信息，所以对于动态生成类的情况比较容易出现永久代的内存溢出。最典型的场景就是，在JSP页面比较多的情况，容易出现永久代内存溢出。我们现在通过动态生成类来模拟“PermGen space”的内存溢出：

   
   
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();
}
}
}
  
  

   
   
package com.paddx.test.memory;

public class Test {}
  
  

运行结果如下：

本例中使用的JDK版本是1.7，指定的PermGen区的大小为8M。通过每次生成不同URLClassLoader对象加载Test类，从而生成不同的类对象，这样就能看到我们熟悉的“java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space”异常了。这里之所以采用JDK 1.7，是因为在JDK 1.8中，HotSpot已经没有“PermGen space”这个区间了，取而代之是一个叫做Metaspace(元空间)的东西。下面我们就来看看Metaspace与PermGen space的区别。

三、Metaspace(元空间)

其实，移除永久代的工作从JDK 1.7就开始了。JDK 1.7中，存储在永久代的部分数据就已经转移到Java Heap或者Native Heap。但永久代仍存在于JDK 1.7中，并没有完全移除，譬如符号引用(Symbols)转移到了native heap；字面量(interned strings)转移到了Java heap；类的静态变量(class statics)转移到了Java heap。我们可以通过一段程序来比较JDK 1.6、JDK 1.7与JDK 1.8的区别，以字符串常量为例：

   
   
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());
}
}
}
  
  

这段程序以2的指数级不断的生成新的字符串，这样可以比较快速的消耗内存。我们通过JDK 1.6、JDK 1.7和JDK 1.8分别运行：

JDK 1.6的运行结果：

JDK 1.7的运行结果：

JDK 1.8的运行结果：

从上述结果可以看出，JDK 1.6下，会出现“PermGen space”的内存溢出，而在JDK 1.7和JDK 1.8中，会出现堆内存溢出，并且JDK 1.8中参数PermSize和MaxPermSize已经失效。因此，可以大致验证JDK 1.7和JDK 1.8中将字符串常量由永久代转移到堆中，并且JDK 1.8中已经不存在永久代的结论。现在我们来看一看元空间到底是一个什么东西？

JDK1.8对JVM架构的改造将类元数据放到本地内存中，另外，将常量池和静态变量放到Java堆里。HotSpot VM将会为类的元数据明确分配和释放本地内存。在这种架构下，类元信息就突破了原来-XX:MaxPermSize的限制，现在可以使用更多的本地内存。这样就从一定程度上解决了原来在运行时生成大量类造成经常Full GC问题，如运行时使用反射、代理等。所以升级以后Java堆空间可能会增加。

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间的最大区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过以下参数指定元空间的大小：

-XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对改值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。

-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的。

除了上面的两个指定大小的选项外，还有两个与GC相关的属性：

-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集。

-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为释放空间所导致的垃圾收集。

现在我们在JDK 1.8重新运行一下上面第二部分(PermGen(永久代))的代码，不过这次不再指定PermSize和MaxPermSize。而是制定MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize的大小。输出结果如下：

从输出结果，我们可以看出，这次不再出现永久代溢出，而是出现元空间的溢出。

四、总结

通过上面的分析，大家应该大致了解了JVM的内存划分，也清楚了JDK 1.8中永久代向元空间的转换。不过大家应该有一个疑问，就是为什么要做这个转换？以下为大家总结几点原因：

1. 字符串在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
2. 类及方法的信息等比较难确定大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易出现老年代溢出。
3. 永久代会为GC带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。
4. Oracle可能会将HotSpot与JRockit合二为一。

五、参考：

1.JVM内存模型——永久代(PermGen)和元空间(Metaspace)(http://www.cnblogs.com/paddix/p/5309550.html)

2.阿里电面试题汇总(http://www.deanwangpro.com/2017/01/31/ali-interview/)