JAVA漫谈——内存不应是瓶颈！

Jvm运行时数据区

Java虚拟机（Java Virtual Machine 简称JVM）是运行所有 Java 程序的抽象计算机，是Java语言的运行环境；因此所有的java的内存都是通过JVM来管理的(本文都是基于HotSpot虚拟机)，要了解java的内存，就需要了解jvm的内存结构。

JVM内存结构如图：

• 方法区：方法区存储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；是jvm规范中的一部分，并不是实际的实现，在实际实现上并不相同（HotSpot在1.7版本以前和1.7版本，1.7后都有变化）。当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
• Java堆：Java堆用于存放对象实例和数组的内容。是垃圾收集器管理的主要区域。可细分为：新生代和老年代；新生代又可分为Eden，from Survivor，to Survivor。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
• Java虚拟机栈：每一条java虚拟机线程都有自己私有的java虚拟机栈，这个栈和线程同时创建，用于存储栈帧。Java虚拟机栈是Java方法执行的内存模型，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。栈帧(Stack Frame)存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息，随着方法的调用而创建，随着方法的结束而销毁。在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：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；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。
• 本地方法栈：本地方法栈和虚拟机栈非常相似，不同的是虚拟机栈服务的是Java方法，而本地方法栈服务的是Native方法。HotSpot虚拟机直接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StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
• 程序计数器：java虚拟机可以支持多个线程同时运行，每个java虚拟机线程都有自己的程序计数器（PC寄存器），在任一时刻，一个java虚拟机的线程，只会执行一个方法的代码。那么程序计数器记录当前线程所执行的Java字节码的地址。当执行的是Native方法时，程序计数器为空。程序计数器是JVM规范中唯一一个没有规定会导致OOM（OutOfMemory）的区域。
• 除开上述jvm的内存区域，其实还有直接内存区域，直接内存区并不是 JVM 管理的内存区域的一部分，而是其之外的。该区域也会在 Java 开发中使用到，并且存在导致内存溢出的隐患，如果使用这块内存，一定要注意内存的回收。如果你对 NIO 有所了解，可能会知道 NIO 是可以使用 Native Methods 来使用直接内存区的。ex: DirectByteBuffer

从持久代到metaspace

方法区在物理上存在于堆，而且在堆的持久代里（java8之前，用持久代实现方法区，在java8之后—包括java8，用metaspace来实现方法区），但是在逻辑上，方法区和堆是独立的。方法区是jvm的规范，而持久代是方法区的具体实现，并且只有hotspot才有持久代。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Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。从jdk1.7已经开始准备“去永久代”的规划，jdk1.7的HotSpot中，已经把原本放在方法区中的静态变量、字符串常量池等移到堆内存中。

Metaspace的组成：

Klass Metaspace：Klass Metaspace就是用来存klass的，klass是我们熟知的class文件在jvm里的运行时数据结构，不过有点要提的是我们看到的类似A.class其实是存在heap里的，是java.lang.Class的一个对象实例。这块内存是紧接着Heap的，和我们之前的perm一样，这块内存大小可通过-XX:CompressedClassSpaceSize参数来控制，这个参数前面提到了默认是1G，但是这块内存也可以没有，假如没有开启压缩指针就不会有这块内存，这种情况下klass都会存在NoKlass Metaspace里，另外如果我们把-Xmx设置大于32G的话，其实也是没有这块内存的，因为会这么大内存会关闭压缩指针开关。还有就是这块内存最多只会存在一块。

NoKlass Metaspace：NoKlass Metaspace专门来存klass相关的其他的内容，比如method，constantPool等，这块内存是由多块内存组合起来的，所以可以认为是不连续的内存块组成的。这块内存是必须的，虽然叫做NoKlass Metaspace，但是也其实可以存klass的内容。

Klass Metaspace和NoKlass Mestaspace都是所有classloader共享的，所以类加载器们要分配内存，但是每个类加载器都有一个SpaceManager，来管理属于这个类加载的内存小块。如果Klass Metaspace用完了，那就会OOM了，不过一般情况下不会，NoKlass Mestaspace是由一块块内存慢慢组合起来的，在没有达到限制条件的情况下，会不断加长这条链，让它可以持续工作。

持久代和metaspace(元数据空间)的区别：

• 持久代物理上处于堆的连续内存上，但是metaspace不再占用jvm的内存，而是直接占用本地内存
• 持久代在应用启动时，就已经确定了，很难进行调优；metaspace 直接占用本地内存，理论上，只要本地内存足够大，就可以无限占用，但是，metaspace也可以设置最大占用内存。
• 每个类加载器在metaspace中都有专门的存储空间，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，还给操作系统。

为什么用metaspace替换持久代：

• 字符串常量存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
• 类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。
• 永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。
• 使得原来受限于持久代的一些改进未来有可能实现。比如Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。

之后我们会谈谈java最重要的特性JVM内存调优（java垃圾回收机制），以及java对象在内存中如何分配的，请持续关注哈。