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1.5.3 为什么要将永久代 (PermGen) 替换为元空间 (MetaSpace) 呢?
1. 运行时数据区域
由于 Java 程序是交由 JVM 执行的，所以我们在谈 Java 内存区域划分的时候事实上是指 JVM 内存区域划分。在讨论 JVM 内存区域划分之前，先来看一下 Java 程序具体执行的过程：
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）。
Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如图：
JDK 1.8 以前：
JDK 1.8 以后：
线程私有的：
- 程序计数器
- 虚拟机栈
- 本地方法栈
线程共享的：
- 堆
- 方法区
- 直接内存 (非运行时数据区的一部分)
1.1 程序计数器
程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在 Java 虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。
由于 Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
从上面的介绍中我们知道程序计数器主要有两个作用：
- 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
- 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。
如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则为空(Undefined)。 此内存区域是唯一一个在 Java虚拟机规范中没有规定任何 OutOf MermoryError情况的区域。
1.2 Java 虚拟机栈
与程序计数器一样，Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
经常有人把 Java 内存区分为堆内存（Heap） 和栈内存（Stack）， 这种分法比较粗糙，Java 内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“堆”后面会讲，而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。
局部变量表存放了编译期可知的各种 Java 基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和 returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。
这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中 64 位长度的 long 和 double 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
在 Java 虚拟机规范中，对这个区域规定下两种异常状况：
- 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；
- 如果 Java 虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出 OutOfMemoryError 异常。（HotSpot 虚拟机的栈容量是不可以动态扩展的，以前的 Classic 虚拟机倒是可以。所以在 HotSpot 虚拟机上是不会由于虚拟机栈无法扩展而导致 OutOfMemoryError 异常——只要线程申请栈空间成功了就不会有 OOM，但是如果申请时就失败，仍然会出现OOM异常）
方法/函数如何调用？
Java 栈可用类比数据结构中栈，Java 栈中保存的主要内容是栈帧，每一次函数调用都会有一个对应的栈帧被压入 Java 栈，每一个函数调用结束后，都会有一个栈帧被弹出。
Java 方法有两种返回方式：
- return 语句。
- 抛出异常。
不管哪种返回方式都会导致栈帧被弹出。
1.3 本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowEror 和 OutOfMemoryEror 异常。
1.4 Java 堆
对于 Java 应用程序应用来说，Java 堆（Java Heap）是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java 世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。在《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是：“所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配”。
Java 堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此一些资料中它也被称作“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从回收内存的角度看，由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以 Java 堆中经常会出现“新生代”“老年代”“永久代”“Eden空间”“From Survivor空间”“To Survivor空间”等名词。
如果从分配内存的角度看，所有线程共享的 Java 堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），以提升对象分配时的效率。不过无论从什么角度，无论如何划分，都不会改变 Java 堆中存储内容的共性，无论是哪个区域，存储的都只能是对象的实例，将 Java 堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
根据《Java虚拟机规范》的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。 Java 堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的 Java 虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数 -Xmx 和 -Xms 设定）。如果在 Java 堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出 OutOfMemoryError 异常。
堆这里最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误，并且出现这种错误之后的表现形式还会有几种，比如：
OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded： 当 JVM 花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时，就会发生此错误。java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space：假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space错误。(和本机物理内存无关，和你配置的对内存大小有关！)- ......
1.5 方法区
方法区（Method Area） 与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于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。虽然《Java虚拟机规范》把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做非堆（Non-Heap），目的是与 Java 堆区分开来。
尤其是在 JDK 8 以前，许多 Java 程序员都习惯在 HotSpot 虚拟机上开发、部署程序，很多人都更愿意把方法区称呼为“永久代”（Permanent Generation），或将两者混为一谈。本质上这两者并不是等价的，因为仅仅是当时的 HotSpot 虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样使得 HotSpot 的垃圾收集器能够像管理 Java 堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。但是对于其他虚拟机实现，譬如 BEA JRockit、IBM J9 等来说，是不存在永久代的概念的。原则上如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受《Java虚拟机规范》管束，并不要求统一。但现在回头来看，当年使用永久代来实现方法区的决定并不是一个好主意，这种设计导致了 Java 应用更容易遇到内存溢出的问题（永久代有 -XX：MaxPermSize 的上限，即使不设置也有默认大小，而 J9 和 JRockit 只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如 32 位系统中的 4GB 限制，就不会出问题），而且有极少数方法（例如String::intern()）会因永久代的原因而导致不同虚拟机下有不同的表现。考虑到 HotSpot 未来的发展，在 JDK 6 的时候 HotSpot 开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划了，到了 JDK 7 的 HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出，而到了 JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与 JRockit、J9 一样在本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替，把 JDK 7 中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。
相对而言，垃圾收集行为在这个区域的确是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。
根据 Java 虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryEror 异常。
1.5.1 方法区和永久代的关系
《Java 虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用，并没有规定如何去实现它。那么，在不同的 JVM 上方法区的实现肯定是不同的了。 方法区和永久代的关系很像 Java 中接口和类的关系，类实现了接口，而永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。 也就是说，永久代是 HotSpot 的概念，方法区是 Java 虚拟机规范中的定义，是一种规范，而永久代是一种实现，一个是标准一个是实现，其他的虚拟机实现并没有永久代这一说法。
1.5.2 常用参数
JDK 1.8 之前永久代还没被彻底移除的时候通常通过下面这些参数来调节方法区大小
-XX:PermSize=N //方法区 (永久代) 初始大小
-XX:MaxPermSize=N //方法区 (永久代) 最大大小,超过这个值将会抛出 OutOfMemoryError 异常:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入方法区后就“永久存在”了。
JDK 1.8 的时候，方法区（HotSpot 的永久代）被彻底移除了（JDK1.7 就已经开始了），取而代之是元空间，元空间使用的是直接内存。
下面是一些常用参数：
-XX:MetaspaceSize=N //设置 Metaspace 的初始（和最小大小）
-XX:MaxMetaspaceSize=N //设置 Metaspace 的最大大小与永久代很大的不同就是，如果不指定大小的话，随着更多类的创建，虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。
1.5.3 为什么要将永久代 (PermGen) 替换为元空间 (MetaSpace) 呢?
- 整个永久代有一个 JVM 本身设置固定大小上限，无法进行调整，而元空间使用的是直接内存，受本机可用内存的限制，虽然元空间仍旧可能溢出，但是比原来出现的几率会更小。
当你元空间溢出时会得到如下错误：
java.lang.OutOfMemoryError: MetaSpace
你可以使用 -XX：MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始大小，如果未指定此标志，则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。 -XX：MaxMetaspaceSize 标志设置最大元空间大小，默认值为 unlimited，这意味着它只受系统内存的限制。
-
元空间里面存放的是类的元数据，这样加载多少类的元数据就不由
MaxPermSize控制了, 而由系统的实际可用空间来控制，这样能加载的类就更多了。 -
在 JDK8，合并 HotSpot 和 JRockit 的代码时, JRockit 从来没有一个叫永久代的东西, 合并之后就没有必要额外的设置这么一个永久代的地方了。
1.6 运行时常量池
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分內容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java 语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说，并非预置入 Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是 String类的intern() 方法。
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。
JDK1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。
1.7 直接内存
直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java 虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现，所以我们放到这里一起讲解。
在 JDK 1.4 中新加入了 NIO （New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel） 与缓存区（Buffer） 的 I/O 方式，它可以直接使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。
显然，本机直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置 -Xmx 等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError 异常。
2 HotSpot 虚拟机对象探秘
这里以常用的虚拟机 HotSpot 和常用的内存区域 Java 堆为例，深入探讨 HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象分配、布局和访问的全过程。
2.1 对象的创建
Java 是一门面向对象的编程语言，在 Java 程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层面上，创建对象（例如克隆、反序列化）通常仅仅是一个 new 关键字而已，而在虚拟机中，对象（文中讨论的对象限于普通 Java 对象，不包括数组和Class对象等）的创建又是怎样一个过程呢?
①类加载检查
当 Java 虚拟机遇到一条字节码 new 指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
②分配内存
在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。
如何划分有两种方式：
- 假设 Java 堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞" （Bump the Pointer）；
- 如果 Java 堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虛拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”（Free List）。
选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理（Compact）功能决定。因此，在使用 Scrial、ParNew 等带 压缩整理 过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，既简单又高效；而使用 CMS 这种基于清除（Sweep）算法的收集器时，通常采用空闲列表。
除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题：对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象 A 分配内存，指针还没来得及修改，对象 B 又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。
解决这个问题有两种方案：
- 一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；
- 另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在 Java 堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的 本地缓冲区 中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓冲区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来设定。
③初始化零值
内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间（不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了 TLAB，这一工作过程也可以提前至 TLAB 分配时顺便进行。这步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
④设置对象头
接下来，Java 虚拟机还要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码（实际上对象的哈希码会延后到真正调用 Object::hashCode() 方法时才计算）、对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。
⑤执行 init 方法
在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从 Java 程序的视角看来，对象创建才刚刚开始——构造函数，即 Class 文件中的 <init>() 方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。一般来说（由字节码流中 new 指令后面是否跟随 invokespecial 指令所决定，Java 编译器会在遇到 new 关键字的地方同时生成这两条字节码指令，但如果直接通过其他方式产生的则不一定如此），new 指令之后会接着执行 <init>() 方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。
2.2 对象的内存布局
在 HotSpot 虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
HotSpot 虚拟机对象的对象头部分包括两类信息，第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，Java 虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。另外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通 Java 对象的元数据信息确定 Java 对象的大小，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。
接下来实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（-XX：FieldsAllocationStyle 参数）和字段在 Java 源码中定义顺序的影响。HotSpot 虚拟机默认的分配顺序为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs），从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果 HotSpot 虚拟机的 +XX：CompactFields 参数值为 true（默认就为true），那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中，以节省出一点点空间。
对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于 HotSpot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍，换句话说就是任何对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。
2.3 对象的访问定位
建立对象是为了使用对象，我们的 Java 程序需要通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。由于 reference 类型在《Java虚拟机规范》中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。
如果使用句柄访问的话，那么 Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息，如图：
如果使用直接指针访问，那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而 reference 中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销，如图：
这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。
使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在 Java 中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。本文讨论的主要虚拟机 Sun HotSpot 而言，它主要使用第二种方式进行对象访问（有例外情况，如果使用了 Shenandoah 收集器的话也会有一次额外的转发）。
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