【JDK】Java 8的元空间（metaspace）

本文我们将会介绍JVM的一个更新，这就是持久代的移除。我们会介绍为什么需要移除持久代，以及它的替代者，元空间（metaspace）。这是上一篇文章内存管理之垃圾回收的续集。

Java 6中的堆结构是这样的：



持久代

持久代中包含了虚拟机中所有可通过反射获取到的数据，比如Class和Method对象。不同的Java虚拟机之间可能会进行类共享，因此持久代又分为只读区和读写区。

JVM用于描述应用程序中用到的类和方法的元数据也存储在持久代中。JVM运行时会用到多少持久代的空间取决于应用程序用到了多少类。除此之外，Java SE库中的类和方法也都存储在这里。

如果JVM发现有的类已经不再需要了，它会去回收（卸载）这些类，将它们的空间释放出来给其它类使用。Full GC会进行持久代的回收。

- JVM中类的元数据在Java堆中的存储区域。
- Java类对应的HotSpot虚拟机中的内部表示也存储在这里。
- 类的层级信息，字段，名字。
- 方法的编译信息及字节码。
- 变量
- 常量池和符号解析

持久代的大小

- 它的上限是MaxPermSize，默认是64M
- Java堆中的连续区域 : 如果存储在非连续的堆空间中的话，要定位出持久代到新对象的引用非常复杂并且耗时。卡表（card table），是一种记忆集（Remembered Set），它用来记录某个内存代中普通对象指针（oops）的修改。
- 持久代用完后，会抛出OutOfMemoryError "PermGen space"异常。解决方案：应用程序清理引用来触发类卸载；增加MaxPermSize的大小。
- 需要多大的持久代空间取决于类的数量，方法的大小，以及常量池的大小。

为什么移除持久代

- 它的大小是在启动时固定好的——很难进行调优。-XX:MaxPermSize，设置成多少好呢？
- HotSpot的内部类型也是Java对象：它可能会在Full GC中被移动，同时它对应用不透明，且是非强类型的，难以跟踪调试，还需要存储元数据的元数据信息（meta-metadata）。
- 简化Full GC：每一个回收器有专门的元数据迭代器。
- 可以在GC不进行暂停的情况下并发地释放类数据。
- 使得原来受限于持久代的一些改进未来有可能实现

那么JVM的元数据都去哪儿了？



元空间(metaspace)

持久代的空间被彻底地删除了，它被一个叫元空间的区域所替代了。持久代删除了之后，很明显，JVM会忽略PermSize和MaxPermSize这两个参数，还有就是你再也看不到java.lang.OutOfMemoryError: PermGen error的异常了。

JDK 8的HotSpot JVM现在使用的是本地内存来表示类的元数据，这个区域就叫做元空间。

元空间的特点：

- 充分利用了Java语言规范中的好处：类及相关的元数据的生命周期与类加载器的一致。
- 每个加载器有专门的存储空间
- 只进行线性分配
- 不会单独回收某个类
- 省掉了GC扫描及压缩的时间
- 元空间里的对象的位置是固定的
- 如果GC发现某个类加载器不再存活了，会把相关的空间整个回收掉

元空间的内存分配模型

- 绝大多数的类元数据的空间都从本地内存中分配
- 用来描述类元数据的类也被删除了
- 分元数据分配了多个虚拟内存空间
- 给每个类加载器分配一个内存块的列表。块的大小取决于类加载器的类型; sun/反射/代理对应的类加载器的块会小一些
- 归还内存块，释放内存块列表
- 一旦元空间的数据被清空了，虚拟内存的空间会被回收掉
- 减少碎片的策略

我们来看下JVM是如何给元数据分配虚拟内存的空间的



你可以看到虚拟内存空间是如何分配的(vs1,vs2,vs3) ，以及类加载器的内存块是如何分配的。CL是Class Loader的缩写。

理解_mark和_klass指针

要想理解下面这张图，你得搞清楚这些指针都是什么东西。

JVM中，每个对象都有一个指向它自身类的指针，不过这个指针只是指向具体的实现类，而不是接口或者抽象类。

对于32位的JVM:

_mark : 4字节常量

_klass: 指向类的4字节指针
对象的内存布局中的第二个字段( _klass，在32位JVM中，相对对象在内存中的位置的偏移量是4，64位的是8)指向的是内存中对象的类定义。

64位的JVM：

_mark : 8字节常量

_klass: 指向类的8字节的指针

开启了指针压缩的64位JVM：
_mark : 8字节常量

_klass: 指向类的4字节的指针

Java对象的内存布局



类指针压缩空间（Compressed Class Pointer Space）

只有是64位平台上启用了类指针压缩才会存在这个区域。对于64位平台，为了压缩JVM对象中的/_klass指针的大小，引入了类指针压缩空间（Compressed Class Pointer Space）。



压缩指针后的内存布局



指针压缩概要

- 64位平台上默认打开 
- 使用-XX:+UseCompressedOops压缩对象指针
"oops"指的是普通对象指针("ordinary" object pointers)。
Java堆中对象指针会被压缩成32位。
使用堆基地址（如果堆在低26G内存中的话，基地址为0）

- 使用-XX:+UseCompressedClassPointers选项来压缩类指针
- 对象中指向类元数据的指针会被压缩成32位
- 类指针压缩空间会有一个基地址

元空间和类指针压缩空间的区别

- 类指针压缩空间只包含类的元数据，比如InstanceKlass, ArrayKlass
仅当打开了UseCompressedClassPointers选项才生效
为了提高性能，Java中的虚方法表也存放到这里
这里到底存放哪些元数据的类型，目前仍在减少

- 元空间包含类的其它比较大的元数据，比如方法，字节码，常量池等。



元空间的调优

使用-XX:MaxMetaspaceSize参数可以设置元空间的最大值，默认是没有上限的，也就是说你的系统内存上限是多少它就是多少。-XX:MetaspaceSize选项指定的是元空间的初始大小，如果没有指定的话，元空间会根据应用程序运行时的需要动态地调整大小。


MaxMetaspaceSize的调优

- -XX:MaxMetaspaceSize={unlimited}
- 元空间的大小受限于你机器的内存
- 限制类的元数据使用的内存大小，以免出现虚拟内存切换以及本地内存分配失败。如果怀疑有类加载器出现泄露，应当使用这个参数；32位机器上，如果地址空间可能会被耗尽，也应当设置这个参数。
- 元空间的初始大小是21M——这是GC的初始的高水位线，超过这个大小会进行Full GC来进行类的回收。
- 如果启动后GC过于频繁，请将该值设置得大一些
- 可以设置成和持久代一样的大小，以便推迟GC的执行时间


CompressedClassSpaceSize的调优

- 只有当-XX:+UseCompressedClassPointers开启了才有效
- -XX:CompressedClassSpaceSize=1G
- 由于这个大小在启动的时候就固定了的，因此最好设置得大点。
- 没有使用到的话不要进行设置
- JVM后续可能会让这个区可以动态的增长。不需要是连续的区域，只要从基地址可达就行；可能会将更多的类元信息放回到元空间中；未来会基于PredictedLoadedClassCount的值来自动的设置该空间的大小


元空间的一些工具

- jmap -permstat改成了jmap -clstats。它用来打印Java堆的类加载器的统计数据。对每一个类加载器，会输出它的名字，是否存活，地址，父类加载器，以及它已经加载的类的数量及大小。除此之外，驻留的字符串（intern）的数量及大小也会打印出来。
- jstat -gc，这个命令输出的是元空间的信息而非持久代的
- jcmd GC.class_stats提供类元数据大小的详细信息。使用这个功能启动程序时需要加上-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions选项。


提高GC的性能

如果你理解了元空间的概念，很容易发现GC的性能得到了提升。

- Full GC中，元数据指向元数据的那些指针都不用再扫描了。很多复杂的元数据扫描的代码（尤其是CMS里面的那些）都删除了。
- 元空间只有少量的指针指向Java堆。这包括：类的元数据中指向java/lang/Class实例的指针;数组类的元数据中，指向java/lang/Class集合的指针。
- 没有元数据压缩的开销
- 减少了根对象的扫描（不再扫描虚拟机里面的已加载类的字典以及其它的内部哈希表）
- 减少了Full GC的时间
- G1回收器中，并发标记阶段完成后可以进行类的卸载


总结

- Hotspot中的元数据现在存储到了元空间里。mmap中的内存块的生命周期与类加载器的一致。
- 类指针压缩空间（Compressed class pointer space）目前仍然是固定大小的，但它的空间较大
- 可以进行参数的调优，不过这不是必需的。
- 未来可能会增加其它的优化及新特性。比如， 应用程序类数据共享；新生代GC优化，G1回收器进行类的回收；减少元数据的大小，以及JVM内部对象的内存占用量。

译注：这有点像一篇读书笔记，比较琐碎。。



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