JVM高階面試：Java8為什么使用元空間替換永久代？

作者：一燈架構(gòu) 2023-06-08 08:04:37

元空間（Metaspace）是 Java8 中引入的一個新概念，用來替代原來的永久代。與永久代不同，元空間并不在虛擬機(jī)中，而是存儲在本地內(nèi)存（Native Memory）。

1. 方法區(qū)簡介

JVM 的內(nèi)存模型主要包括程序計數(shù)器（Program Counter Register）、虛擬機(jī)棧（VM Stack）、本地方法棧（Native Method Stack）、堆（Heap）和方法區(qū)（Method Area）。

方法區(qū)（Method Area）是所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

具體來說，方法區(qū)用來存儲以下數(shù)據(jù)：

類的元數(shù)據(jù)信息：包括類的名稱、訪問標(biāo)志、父類、接口、字段、方法等信息。
運(yùn)行時常量池：在Java代碼中，常量可以被直接定義在類或接口中，這些常量在編譯后被存儲在Class文件的常量池中，而運(yùn)行時常量池則是從Class文件中加載的。
靜態(tài)變量和常量：類的靜態(tài)變量和常量都存儲在方法區(qū)中，它們在類加載的時候被初始化并分配內(nèi)存空間。
方法字節(jié)碼：在Java中，方法的字節(jié)碼被編譯成Class文件并存儲在方法區(qū)中。
即時編譯器（JIT）編譯后的代碼：為了提高程序的執(zhí)行效率，JIT會將熱點(diǎn)代碼編譯成本地機(jī)器碼并存儲在方法區(qū)中。

方法區(qū)只是 JVM 規(guī)范中定義的一個概念，針對 Hotspot 虛擬機(jī)，Java8 之前使用永久代（Permanent Generation，簡稱 PermGen）實(shí)現(xiàn)，而 Java8 之后使用元空間（Metaspace）實(shí)現(xiàn)。

JDK8 之前可以通過 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 來設(shè)置永久代大小，JDK8 之后，使用元空間替換了永久代，改為通過 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 來設(shè)置元空間大小。

2. 永久代問題

2.1 內(nèi)存溢出

永久代的空間是有限制的，可以通過 -XX:PermSize 設(shè)置永久代初始容量，通過-XX:MaxPermSize 設(shè)置永久代最大容量。

但是當(dāng)加載過多的類或者常量的時候，就可能導(dǎo)致永久代的空間不足，拋出 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 異常。尤其是web應(yīng)用會使用很多框架，這些框架會動態(tài)加載很多基礎(chǔ)類，更容易導(dǎo)致OOM。

2.2 垃圾回收效率低下

永久代中的類信息一般是在應(yīng)用程序運(yùn)行期間不會發(fā)生變化的，因此，如果開啟了永久代的垃圾回收，就會造成大量的垃圾回收操作，導(dǎo)致垃圾回收效率低下，甚至?xí)饝?yīng)用程序的暫停。

此外，由于永久代主要存放 JVM 加載的類信息等永久存在的數(shù)據(jù)，這使得它在垃圾回收過程中的回收效率相對較低。在某些情況下，頻繁觸發(fā)的 Full GC 不僅無法有效回收永久代空間，還會嚴(yán)重影響 JVM 的性能。

2.3 無法動態(tài)調(diào)整大小

永久代的大小一旦被設(shè)置，就無法動態(tài)調(diào)整，如果預(yù)估錯誤，就可能導(dǎo)致浪費(fèi)內(nèi)存或內(nèi)存不足的問題。

2.4 無法回收常量池中的內(nèi)存

在永久代中，常量池是一個非常重要的部分，但是其中的常量無法被回收，即使這些常量已經(jīng)不再被使用，也無法被垃圾回收器回收，這會浪費(fèi)內(nèi)存。

3. 元空間簡介

從 Java7 已經(jīng)開始逐步移除永久代，在Java7中把 interned Strings 、 class statics 和 String Pool 從永久代移到堆中。在 Java8 中徹底移除了永久代，把將類的元數(shù)據(jù)信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼從永久代中移到了元空間中。

4. 元空間的優(yōu)點(diǎn)

與永久代相比，使用元空間使用方法區(qū)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

突破內(nèi)存限制，減少OOM。由于元空間使用的是本地內(nèi)存，而不是 JVM 內(nèi)存，因此理論上，其大小只受限于操作系統(tǒng)的實(shí)際可用內(nèi)存。這大大減少了內(nèi)存溢出的可能性。相較于永久代在 JVM 堆中預(yù)分配的有限空間，元空間的引入提供了更大的空間來存儲類元數(shù)據(jù)。
提高 Full GC 的效率。在永久代中，F(xiàn)ull GC 的觸發(fā)比較頻繁，而且效率較低。因?yàn)橛谰么写娣帕撕芏?JVM 需要的類信息，這些數(shù)據(jù)大多數(shù)是不會被清理的，所以 Full GC 往往無法回收多少空間。但在元空間模型中，由于字符串常量池已移至堆中，靜態(tài)變量也移至 Java 堆或者本地內(nèi)存，因此可以更有效地進(jìn)行垃圾回收，避免了因頻繁的 Full GC 導(dǎo)致的性能影響。
滿足不同的類加載需求和動態(tài)類加載的情況。在一些大型的、模塊化的應(yīng)用中，可能需要加載大量的類，這就需要大量的元數(shù)據(jù)存儲空間。元空間可以動態(tài)地調(diào)整大小，能更好地滿足這種需求。
避免永久代調(diào)優(yōu)和大小設(shè)置的復(fù)雜性。在 Java8 之前的版本中，通常需要手動設(shè)置永久代的大小，以避免內(nèi)存溢出的錯誤。這增加了應(yīng)用的配置和管理的復(fù)雜性。而元空間使用本地內(nèi)存，根據(jù)實(shí)際需求動態(tài)調(diào)整，大大簡化了內(nèi)存管理的復(fù)雜性。

5. 元空間問題

盡管元空間解決了永久代的一些問題，可能也同時引入了一些新問題：

可能導(dǎo)致本地內(nèi)存溢出：雖然元空間使用的是本地內(nèi)存，理論上其大小只受限于操作系統(tǒng)的實(shí)際可用內(nèi)存，但是如果元空間的使用不加以控制，可能會導(dǎo)致大量的本地內(nèi)存被占用，從而導(dǎo)致 OutOfMemoryError。
內(nèi)存管理和調(diào)優(yōu)策略：永久代的內(nèi)存管理和調(diào)優(yōu)策略無法直接應(yīng)用到元空間，需要重新考慮和設(shè)計。例如，如何確定元空間的初始大小、最大大小，如何進(jìn)行垃圾回收，等等。

因此，雖然元空間為 JVM 的內(nèi)存管理帶來了新的可能，但也帶來了新的挑戰(zhàn)。為了充分利用元空間的優(yōu)勢，開發(fā)者需要理解其工作原理，掌握正確的使用和調(diào)優(yōu)方法。

6. 總結(jié)

Java8 選擇使用元空間（Metaspace）替代永久代（PermGen）是 JVM 內(nèi)存模型的一次重大改進(jìn)。解決了永久代面臨的空間限制、低效的垃圾回收、以及復(fù)雜的內(nèi)存管理等問題。元空間利用本地內(nèi)存，能夠動態(tài)調(diào)整大小，提供了更大的空間來存儲類元數(shù)據(jù)，也更好地適應(yīng)了大型、模塊化應(yīng)用的需求。

但是元空間也引入了一些新問題。如何避免本地內(nèi)存溢出，如何制定有效的內(nèi)存管理和調(diào)優(yōu)策略，都是開發(fā)者需要重新考慮的問題。

責(zé)任編輯：武曉燕來源：一燈架構(gòu)