Java虛擬機器16：Metaspace

五月的倉頡發表於2018-04-01
Java虛擬機

被廢棄的持久代

想起之前面試的時候有面試官問起過我一個問題：Java 8為什麼要廢棄持久代即Metaspace的作用。由於當時使用的Java 7且研究重心不在JVM上，一下沒有回答上來，今天突然想起這個問題，就詳細總結一下這個問題。

首先我們看一張JVM記憶體佈局的圖：

注意到裡面有一塊METHOD AREA，它是一塊執行緒共享的物件，名為方法區，在HotSpot虛擬機器中，這塊METHOD AREA我們可以認為等同於持久代（PermGen），在Java 6及之前的版本，持久代存放了以下一些內容：

  • 虛擬機器載入的類資訊
  • 常量池
  • 靜態變數
  • 即時編譯後的程式碼

到了Java 7之後，常量池已經不在持久代之中進行分配了，而是移到了堆中，即常量池和物件共享堆記憶體。

接著到了Java 8之後的版本（至此篇文章，Java 10剛釋出），持久代已經被永久移除，取而代之的是Metaspace。

 

為什麼要移除持久代

HotSpot團隊選擇移除持久代，有內因和外因兩部分，從外因來說，我們看一下JEP 122的Motivation（動機）部分：

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.

大致就是說移除持久代也是為了和JRockit進行融合而做的努力，JRockit使用者並不需要配置持久代（因為JRockit就沒有持久代）。

從內因來說，持久代大小受到-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize兩個引數的限制，而這兩個引數又受到JVM設定的記憶體大小限制，這就導致在使用中可能會出現持久代記憶體溢位的問題，因此在Java 8及之後的版本中徹底移除了持久代而使用Metaspace來進行替代。

 

Metaspace

上面說了，為了避免出現持久代記憶體溢位的問題，Java 8及之後的版本徹底移除了持久代而使用Metaspace來進行替代。

Metaspace是方法區在HotSpot中的實現，它與持久代最大的區別在於：Metaspace並不在虛擬機器記憶體中而是使用本地記憶體。因此Metaspace具體大小理論上取決於32位/64位系統可用記憶體的大小，可見也不是無限制的，需要配置引數。

接著我們模擬一下Metaspace記憶體溢位的情況，前面說了持久代存放了以下資訊：

  • 虛擬機器載入的類資訊
  • 常量池
  • 靜態變數
  • 即時編譯後的程式碼

所以最簡單的模擬Metaspace記憶體溢位，我們只需要無限生成類資訊即可，類佔據的空間總是會超過Metaspace指定的空間大小的，下面用Cglib來模擬：

 1 public class MetaspaceOOMTest {
 2 
 3     /**
 4      * JVM引數:-XX:MetaspaceSize=8m -XX:MaxMetaspaceSize=128m -XX:+PrintFlagsInitial
 5      */
 6     public static void main(String[] args) {
 7         int i = 0;
 8         
 9         try {
10             for (;;) {
11                 i++;
12                 
13                 Enhancer enhancer = new Enhancer();
14                 enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
15                 enhancer.setUseCache(false);
16                 enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
17                     public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
18                         return proxy.invokeSuper(obj, args);
19                     }
20                 });
21                 enhancer.create();
22             }
23         } catch (Exception e) {
24             System.out.println("第" + i + "次時發生異常");
25             e.printStackTrace();
26         }
27     }
28     
29     static class OOMObject {
30         
31     }
32     
33 }

虛擬機器引數設定為"-XX:MetaspaceSize=8m -XX:MaxMetaspaceSize=128m"，執行程式碼，結果為：

 1 第15562次時發生異常
 2 net.sf.cglib.core.CodeGenerationException: java.lang.reflect.InvocationTargetException-->null
 3     at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:345)
 4     at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492)
 5     at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:114)
 6     at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:291)
 7     at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480)
 8     at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:305)
 9     at org.xrq.commom.test.jvm.MetaspaceOOMTest.main(MetaspaceOOMTest.java:34)
10 Caused by: java.lang.reflect.InvocationTargetException
11     at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1.invoke(Unknown Source)
12     at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(Unknown Source)
13     at java.lang.reflect.Method.invoke(Unknown Source)
14     at net.sf.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:413)
15     at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:336)
16     ... 6 more
17 Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
18     at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
19     at java.lang.ClassLoader.defineClass(Unknown Source)
20     ... 11 more

可見即使使用了Metaspace，也是有OOM的風險的，但是由於Metaspace使用本機記憶體，因此只要不要程式碼裡面犯太低階的錯誤，OOM的概率基本是不存在的。

 

Metaspace相關JVM引數

最後我們來看一下Metaspace相關的幾個JVM引數：

引數名 作  用
MetaspaceSize 初始化的Metaspace大小，控制Metaspace發生GC的閾值。GC後，動態增加或者降低MetaspaceSize，預設情況下，這個值大小根據不同的平臺在12M到20M之間浮動
MaxMetaspaceSize 限制Metaspace增長上限，防止因為某些情況導致Metaspace無限使用本地記憶體，影響到其他程式，預設為4096M
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引數，那麼虛擬機器增長Metaspace的大小，預設為40，即70%
MaxMetaspaceFreeRatio 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引數，那麼虛擬機器會釋放部分Metaspace空間，預設為70，即70%
MaxMetaspaceExpanison Metaspace增長時的最大幅度，預設值為5M
MinMetaspaceExpanison Metaspace增長時的最小幅度，預設為330KB

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