浅谈JVM - 内存结构- java7 到 java8 内存结构的变化

Posted 2021-04-17 难得今生共此时

回顾java程序执行流程

如上图所示，首先Java源代码文件(.java后缀)会被Java编译器编译为字节码文件(.class后缀)，然后由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件，加载完毕之后，交由JVM执行引擎执行。在整个程序执行过程中，JVM会用一段空间来存储程序执行期间需要用到的数据和相关信息，这段空间一般被称作为Runtime Data Area（运行时数据区），也就是我们常说的JVM内存。因此，在Java中我们常常说到的内存管理就是针对这段空间进行管理（如何分配和回收内存空间）。

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。

名称	特征	作用	配置参数	异常
程序计数器	占用内存小，线程私有，生命周期与线程相同	大致为字节码行号指示器	无	无
虚拟机栈	线程私有，生命周期与线程相同，使用连续的内存空间	Java 方法执行的内存模型，存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息	-Xss	StackOverflowError/OutOfMemoryError
堆	线程共享，生命周期与虚拟机相同，可以不使用连续的内存地址	保存对象实例，所有对象实例（包括数组）都要在堆上分配	-Xms  -Xsx  -Xmn	OutOfMemoryError
方法区	线程共享，生命周期与虚拟机相同，可以不使用连续的内存地址	存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据	-XX:PermSize:16M                    -XX:MaxPermSize64M   /             -XX:MetaspaceSize=16M         -XX:MaxMetaspaceSize=64M	OutOfMemoryError
本地方法栈	线程私有	为虚拟机使用到的 Native 方法服务	无	StackOverflowError/OutOfMemoryError

Hotspot Java7和Java8内存结构差异

Java7的内存结构

Java8的内存结构

Java7和Java8内存结构的不同主要体现在方法区的实现

方法区是java虚拟机规范中定义的一种概念上的区域，不同的厂商可以对虚拟机进行不同的实现。

我们通常使用的Java SE都是由Sun JDK和OpenJDK所提供，这也是应用最广泛的版本。而该版本使用的VM就是HotSpot VM。通常情况下，我们所讲的java虚拟机指的就是HotSpot的版本。

PermGen(永久代)

• Java7及以前版本的Hotspot中方法区位于永久代中。同时，永久代和堆是相互隔离的，但它们使用的物理内存是连续的，永久代的垃圾收集是和老年代捆绑在一起的，因此无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集。

• Java7中永久代中存储的部分数据已经开始转移到Java Heap或Native Memory中了。比如，符号引用(Symbols)转移到了Native Memory；字符串常量池(interned strings)转移到了Java Heap；类的静态变量(class statics)转移到了Java Heap。

• 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。并且JDK 1.8中永久代的参数PermSize和MaxPermSize已经失效。

Metaspace(元空间)

• 对于Java8，HotSpot取消了永久代，那么是不是就没有方法区了呢？当然不是，方法区只是一个规范，只不过它的实现变了。

• 在Java8中，元空间(Metaspace)登上舞台，方法区存在于元空间(Metaspace)。同时，元空间不再与堆连续，而且是存在于本地内存（Native memory）。

• JDK1.7后对JVM架构进行了改造，将类元数据放到本地内存中，另外，将字符串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。本地内存（Native memory），也称为C-Heap，是供JVM自身进程使用的。当Java Heap空间不足时会触发GC，但Native memory空间不够却不会触发GC。默认情况下元空间是可以无限使用本地内存的，但为了不让它如此膨胀，JVM同样提供了参数来限制它使用的使用。

• -XX:MetaspaceSize，class metadata的初始空间配额，以bytes为单位，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（如果设置了的话），适当的提高该值。

• -XX：MaxMetaspaceSize，可以为class metadata分配的最大空间。默认是没有限制的。

• -XX：MinMetaspaceFreeRatio,在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为class metadata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class metadata释放空间导致的垃圾收集。

所以对于方法区，Java8之后的变化

• 移除了永久代（PermGen），替换为元空间（Metaspace）

• 永久代中的class metadata（类元信息）转移到了native memory（本地内存，而不是虚拟机）

• 永久代中的interned Strings（字符串常量池） 和 class static variables（类静态变量）转移到了Java heap

• 永久代参数（PermSize MaxPermSize）-> 元空间参数（MetaspaceSize MaxMetaspaceSize）

Java8为什么要将永久代替换成Metaspace？

• 字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。

• 类及方法的信息等比较难确定其大小，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，太大则容易导致老年代溢出。

• 永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。

• Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一，JRockit没有所谓的永久代。