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[Java教程]JDK8内存模型—消失的永久代


一、JVM 内存模型

  根据 JVM 规范,JVM 内存共分为虚拟机栈、堆、方法区、程序计数器、本地方法栈五个部分。

  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。栈里面存着的是一种叫“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(即基本数据类型和对象引用)、操作数栈、方法出口等信息。栈的大小可以固定的(可以通过)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;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();    }  }}

代码段 1

运行三次输出的结果如下,可以看出每次栈的深度都是不一样的。至于这个值是怎么出来的,就需要深入到 JVM 的源码中才能知道,这里就不细说了。

虚拟机栈除了上述的错误外,还有一种错误,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。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 Java 应用程序员不需要关心这部分的内容。

  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,每个线程有自己的程序计数器,如果当前执行是 JVM 的方法,则该寄存器中保存了当前执行指令的地址,如果执行的native 方法,则PC寄存器中为空。

  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;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]);//每次增加一个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      }    }  }}

代码段 2

运行上述代码,输出结果如下:  

   

注意,这里我指定了堆内存的大小为16M,所以这个地方显示的count=14(这个数字不是固定的),至于为什么会是14或其他数字,需要根据 GC 日志来判断,具体原因会在下篇文章中给大家解释。

  (5)方法区:

  方法区也是所有线程共享。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”。 关于方法区内存溢出的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: PermGen space "这个异常。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 jsp 页面比较多的情况,容易出现上述错误。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;public class Test {}

 代码段 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();    }  }}

代码段 4

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对象来加载Test类,从而生成不同的类对象,这样就可以看到我们熟悉的 "java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space " 的异常了。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。下面我们就看看 Metaspace 与 PermGen space 的区别。

三、Metaspace(元空间)

  其实从 JDK 1.7 就开始永久代的移除工作了,存储在永久代的一部分数据已经转移到了Java Heap或者是 Native Heap。但永久代仍然存在于JDK7,并没有完全的移除: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 与 JDK 1.7及 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 运行的结果:

JDK 1.7运行结果:

JDK 1.8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 PermSize 和 MaxPermGen 已经无效。因此,可以大致验证 JDK 1.7 和 1.8 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。现在我们看看元空间到底是一个什么东西?

  元空间的功能还是实现方法区所规定的功能。不过,元空间与永久代最大的区别在于,元空间并不在虚拟机中,而是使用的本地内存。因此,默认情况下,元空间的大小仅受本地内存的限制。不过可以通过下面的选项来指定元空间的大小:

  -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会对该值进行调整:如果释放了大量的空间,就适当的降低该值;如果释放了很少的空间,那么在不超过MaxMetaspaceSize时,适当的提高该值。
  -XX:MaxMetaspaceSize,最大空间,默认是没有限制的。

  除了上面两个指定大小的选项以外,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,减少为释放空间导致的垃圾收集

现在我们在 JDK 8下重新运行一下代码段 4,不过这次不再指定 PermSize 和 MaxPermSize。而是要指定 MetaSpaceSize 和 MaxMetaSpaceSize的大小。输出结果下:

从输出结果,我们可以看出,这次不再出现永久代溢出,而是出现了元空间的溢出。

4、总结

  通过上面分析,大家应该大致了解了 JVM 的内存划分,也清楚了 JDK 8 中永久代向元空间的转换。不过大家应该都有一个疑问,就是为什么要做这个转换?所以,最后给大家总结以下几点原因:

  (1)字符串存在永久代中,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其大写,因此对于永久代的大小的指定比较困难,太小容易出现永久代溢出,太大,容易导致老年代溢出。

  (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。