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該系列博文會告訴你如何從入門到進階，一步步地學習JVM基礎知識，並上手進行JVM調優實戰，JVM是每一個Java工程師必須要學習和理解的知識點，你必須要掌握其實現原理，才能更完整地瞭解整個Java技術體系，形成自己的知識框架。
爲了更好地總結和檢驗你的學習成果，本系列文章也會提供每個知識點對應的面試題以及參考答案。
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前言
所有的Java開發人員可能會遇到這樣的困惑？我該爲堆內存設置多大空間呢？OutOfMemoryError的異常到底涉及到運行時數據的哪塊區域？該怎麼解決呢？
其實如果你經常解決服務器性能問題，那麼這些問題就會變的非常常見，瞭解JVM內存也是爲了服務器出現性能問題的時候可以快速的瞭解那塊的內存區域出現問題，以便於快速的解決生產故障。
先看一張圖，這張圖能很清晰的說明JVM內存結構佈局。
JVM內存結構主要有三大塊：堆內存、方法區和棧。堆內存是JVM中最大的一塊由年輕代和老年代組成，而年輕代內存又被分成三部分，Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間,默認情況下年輕代按照8:1:1的比例來分配；
方法區存儲類信息、常量、靜態變量等數據，是線程共享的區域，爲與Java堆區分，方法區還有一個別名Non-Heap(非堆)；棧又分爲java虛擬機棧和本地方法棧主要用於方法的執行。
在通過一張圖來了解如何通過參數來控制各區域的內存大小
控制參數
- -Xms設置堆的最小空間大小。
- -Xmx設置堆的最大空間大小。
- -XX:NewSize設置新生代最小空間大小。
- -XX:MaxNewSize設置新生代最大空間大小。
- -XX:PermSize設置永久代最小空間大小。
- -XX:MaxPermSize設置永久代最大空間大小。
- -Xss設置每個線程的堆棧大小。
沒有直接設置老年代的參數，但是可以設置堆空間大小和新生代空間大小兩個參數來間接控制。
老年代空間大小=堆空間大小-年輕代大空間大小
從更高的一個維度再次來看JVM和系統調用之間的關係
方法區和對是所有線程共享的內存區域；而java棧、本地方法棧和程序員計數器是運行是線程私有的內存區域。
下面我們詳細介紹每個區域的作用
Java堆（Heap）
對於大多數應用來說，Java堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啓動時創建。此內存區域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這裏分配內存。
Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱做“GC堆”。如果從內存回收的角度看，由於現在收集器基本都是採用的分代收集算法，所以Java堆中還可以細分爲：新生代和老年代；再細緻一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。
根據Java虛擬機規範的規定，Java堆可以處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過-Xmx和-Xms控制）。
如果在堆中沒有內存完成實例分配，並且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。
方法區（Method Area）
方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據。雖然Java虛擬機規範把方法區描述爲堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。
對於習慣在HotSpot虛擬機上開發和部署程序的開發者來說，很多人願意把方法區稱爲“永久代”（Permanent Generation），本質上兩者並不等價，僅僅是因爲HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已。
Java虛擬機規範對這個區域的限制非常寬鬆，除了和Java堆一樣不需要連續的內存和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行爲在這個區域是比較少出現的，但並非數據進入了方法區就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，一般來說這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當苛刻，但是這部分區域的回收確實是有必要的。
根據Java虛擬機規範的規定，當方法區無法滿足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。
方法區有時被稱爲持久代（PermGen）。
所有的對象在實例化後的整個運行週期內，都被存放在堆內存中。堆內存又被劃分成不同的部分：伊甸區(Eden)，倖存者區域(Survivor Sapce)，老年代（Old Generation Space）。
方法的執行都是伴隨着線程的。原始類型的本地變量以及引用都存放在線程棧中。而引用關聯的對象比如String，都存在在堆中。爲了更好的理解上面這段話，我們可以看一個例子：
<pre>import java.text.SimpleDateFormat;import java.util.Date;import org.apache.log4j.Logger;
public class HelloWorld {
private static Logger LOGGER = Logger.getLogger(HelloWorld.class.getName());
public void sayHello(String message) {
SimpleDateFormat formatter = new SimpleDateFormat("dd.MM.YYYY");
String today = formatter.format(new Date());
LOGGER.info(today + ": " + message);
}}</pre>
這段程序的數據在內存中的存放如下：
通過JConsole工具可以查看運行中的Java程序（比如Eclipse）的一些信息：堆內存的分配，線程的數量以及加載的類的個數；
程序計數器（Program Counter Register）
程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它的作用可以看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型裏（僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現），字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的字節碼指令，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。
由於Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來說是一個內核）只會執行一條線程中的指令。因此，爲了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數器，各條線程之間的計數器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內存區域爲“線程私有”的內存。
如果線程正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；如果正在執行的是Natvie方法，這個計數器值則爲空（Undefined）。
此內存區域是唯一一個在Java虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。
JVM棧（JVM Stacks）
與程序計數器一樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命週期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型：每個方法被執行的時候都會同時創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法被調用直至執行完成的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。
局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它不等同於對象本身，根據不同的虛擬機實現，它可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節碼指令的地址）。
其中64位長度的long和double類型的數據會佔用2個局部變量空間（Slot），其餘的數據類型只佔用1個。局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。
在Java虛擬機規範中，對這個區域規定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機棧可以動態擴展（當前大部分的Java虛擬機都可動態擴展，只不過Java虛擬機規範中也允許固定長度的虛擬機棧），當擴展時無法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryError異常。
本地方法棧（Native Method Stacks）
本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，其區別不過是虛擬機棧爲虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則是爲虛擬機使用到的Native方法服務。虛擬機規範中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數據結構並沒有強制規定，因此具體的虛擬機可以自由實現它。甚至有的虛擬機（譬如Sun HotSpot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二爲一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
哪兒的OutOfMemoryError
對內存結構清晰的認識同樣可以幫助理解不同OutOfMemoryErrors：
<pre>Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space</pre>
原因：對象不能被分配到堆內存中
<pre>Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space</pre>
原因：類或者方法不能被加載到持久代。它可能出現在一個程序加載很多類的時候，比如引用了很多第三方的庫；
<pre>Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit</pre>
原因：創建的數組大於堆內存的空間
<pre>Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: request <size> bytes for <reason>. Out of swap space?</pre>
原因：分配本地分配失敗。JNI、本地庫或者Java虛擬機都會從本地堆中分配內存空間。
<pre>Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: <reason> <stack trace>（Native method）</pre>
原因：同樣是本地方法內存分配失敗，只不過是JNI或者本地方法或者Java虛擬機發現
JDK8-廢棄永久代（PermGen）迎來元空間（Metaspace）
1.背景
2.爲什麼廢棄永久代（PermGen）
3.深入理解元空間（Metaspace）
4.總結
========正文分割線=====
一、背景
1.1 永久代（PermGen）在哪裏？
根據，hotspot jvm結構如下(虛擬機棧和本地方法棧合一起了)：
上圖引自網絡，但有個問題：方法區和heap堆都是線程共享的內存區域。
關於方法區和永久代：
在HotSpot JVM中，這次討論的永久代，就是上圖的方法區（JVM規範中稱爲方法區）。《Java虛擬機規範》只是規定了有方法區這麼個概念和它的作用，並沒有規定如何去實現它。在其他JVM上不存在永久代。
1.2 JDK8永久代的廢棄
JDK8 永久代變化如下圖：
1.新生代：Eden+From Survivor+To Survivor
2.老年代：OldGen
3.永久代（方法區的實現） : PermGen----->替換爲Metaspace(本地內存中)
二、爲什麼廢棄永久代（PermGen）
2.1 官方說明
參照JEP122：http://openjdk.java.net/jeps/122，原文截取：
Motivation
This is part of the JRockit and Hotspot convergence effort. JRockit customers do not need to configure the permanent generation (since JRockit does not have a permanent generation) and are accustomed to not configuring the permanent generation.
即：移除永久代是爲融合HotSpot JVM與 JRockit VM而做出的努力，因爲JRockit沒有永久代，不需要配置永久代。
2.2 現實使用中易出問題
由於永久代內存經常不夠用或發生內存泄露，爆出異常java.lang.OutOfMemoryError: PermGen
其實在JDK7時就已經逐步把永久代的內容移動到其他區域了，比如移動到native區，移動到堆區等，而JDK8則是則是廢除了永久代，改用元數據。
三、深入理解元空間（Metaspace）
3.1元空間的內存大小
元空間是方法區的在HotSpot jvm 中的實現，方法區主要用於存儲類的信息、常量池、方法數據、方法代碼等。方法區邏輯上屬於堆的一部分，但是爲了與堆進行區分，通常又叫“非堆”。
元空間的本質和永久代類似，都是對JVM規範中方法區的實現。不過元空間與永久代之間最大的區別在於：元空間並不在虛擬機中，而是使用本地內存。，理論上取決於32位/64位系統可虛擬的內存大小。可見也不是無限制的，需要配置參數。
3.2常用配置參數
1.MetaspaceSize
初始化的Metaspace大小，控制元空間發生GC的閾值。GC後，動態增加或降低MetaspaceSize。在默認情況下，這個值大小根據不同的平臺在12M到20M浮動。使用Java -XX:+PrintFlagsInitial命令查看本機的初始化參數
2.MaxMetaspaceSize
限制Metaspace增長的上限，防止因爲某些情況導致Metaspace無限的使用本地內存，影響到其他程序。在本機上該參數的默認值爲4294967295B（大約4096MB）。
3.MinMetaspaceFreeRatio
當進行過Metaspace GC之後，會計算當前Metaspace的空閒空間比，如果空閒比小於這個參數（即實際非空閒佔比過大，內存不夠用），那麼虛擬機將增長Metaspace的大小。默認值爲40，也就是40%。設置該參數可以控制Metaspace的增長的速度，太小的值會導致Metaspace增長的緩慢，Metaspace的使用逐漸趨於飽和，可能會影響之後類的加載。而太大的值會導致Metaspace增長的過快，浪費內存。
4.MaxMetasaceFreeRatio
當進行過Metaspace GC之後， 會計算當前Metaspace的空閒空間比，如果空閒比大於這個參數，那麼虛擬機會釋放Metaspace的部分空間。默認值爲70，也就是70%。
5.MaxMetaspaceExpansion
Metaspace增長時的最大幅度。在本機上該參數的默認值爲5452592B（大約爲5MB）。
6.MinMetaspaceExpansion
Metaspace增長時的最小幅度。在本機上該參數的默認值爲340784B（大約330KB爲）。
3.3測試並追蹤元空間大小
3.3.1.測試字符串常量
<pre> 1 public class StringOomMock {
2 static String base = "string";
3
4 public static void main(String[] args) {
5 List<String> list = new ArrayList<String>();
6 for (int i=0;i< Integer.MAX_VALUE;i++){
7 String str = base + base;
8 base = str;
9 list.add(str.intern());
10 }
11 }
12 }</pre>
在eclipse中選中類--》run configuration-->java application--》new 參數如下：
由於設定了最大內存20M，很快就溢出，如下圖：
可見在jdk8中：
1.字符串常量由永久代轉移到堆中。
2.持久代已不存在，PermSize MaxPermSize參數已移除。（看圖中最後兩行）
3.3.2.測試元空間溢出
根據定義，我們以加載類來測試元空間溢出，代碼如下：
<pre> 1 package jdk8;
2
3 import java.io.File;
4 import java.lang.management.ClassLoadingMXBean;
5 import java.lang.management.ManagementFactory;
6 import java.net.URL;
7 import java.net.URLClassLoader;
8 import java.util.ArrayList;
9 import java.util.List;
10
11 /*
12
13 @ClassName:OOMTest
14 @Description:模擬類加載溢出（元空間oom）
15 @author diandian.zhang
16 @date 2017年4月27日上午9:45:40
17 */
18 public class OOMTest {
19 public static void main(String[] args) {
20 try {
21 //準備url
22 URL url = new File("D:/58workplace/11study/src/main/java/jdk8").toURI().toURL();
23 URL[] urls = {url};
24 //獲取有關類型加載的JMX接口
25 ClassLoadingMXBean loadingBean = ManagementFactory.getClassLoadingMXBean();
26 //用於緩存類加載器
27 List<ClassLoader> classLoaders = new ArrayList<ClassLoader>();
28 while (true) {
29 //加載類型並緩存類加載器實例
30 ClassLoader classLoader = new URLClassLoader(urls);
31 classLoaders.add(classLoader);
32 classLoader.loadClass("ClassA");
33 //顯示數量信息（共加載過的類型數目，當前還有效的類型數目，已經被卸載的類型數目）
34 System.out.println("total: " + loadingBean.getTotalLoadedClassCount());
35 System.out.println("active: " + loadingBean.getLoadedClassCount());
36 System.out.println("unloaded: " + loadingBean.getUnloadedClassCount());
37 }
38 } catch (Exception e) {
39 e.printStackTrace();
40 }
41 }
42 } </pre>
爲了快速溢出，設置參數：-XX:MetaspaceSize=8m -XX:MaxMetaspaceSize=80m，運行結果如下：
上圖證實了，我們的JDK8中類加載（方法區的功能）已經不在永久代PerGem中了，而是Metaspace中。可以配合JVisualVM來看，更直觀一些。
四、總結
本文講解了元空間（Metaspace）的由來和本質，常用配置，以及監控測試。元空間的大小是動態變更的，但不是無限大的，最好也時常關注一下大小，以免影響服務器內存。
參考文章
<https://segmentfault.com/a/1190000009707894>
<https://www.cnblogs.com/hysum/p/7100874.html>