JVM体系结构

根据 JVM 规范，JVM 运行时区域大致分为方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器五个部分。

1）、方法区
方法区是JVM 所有线程共享。
主要用于存储类的信息、常量池、方法数据、方法代码等。方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常又叫非堆。关于方法区内存溢出的问题会在下文中详细探讨。

2）、堆

堆内存也是 JVM 所有线程共享的部分，在虚拟机启动的时候就已经创建。所有的对象和数组都在堆上进行分配。这部分空间可通过 GC 进行回收。当申请不到空间时会抛出 OutOfMemoryError 。

下面我们简单的模拟一个堆内存溢出的情况：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class HeapOomMock {
    List<byte[]> list = new ArrayList<byte[]>();
    int i = 0;
    public static void main(String[] args) {  
        boolean flag = true;
        while (flag){
            try {
                i++;
                list.add(new byte[1024 * 1024]);//每次增加一个1M大小的数组对象
            }catch (Throwable e){
                e.printStackTrace();
                flag = false;
                System.out.println("count="+i);//记录运行的次数
            }
        }
    }
}

运行结果：

注意，这里我指定了堆内存的大小为16M，所以这个地方显示的count=14（这个数字不是固定的），至于为什么会是14或其他数字，需要根据 GC 日志来判断。

PermGen（永久代）

PermGen ，就是PermGen space ，全称是 Permanent Generation space ，是指内存的永久保存区域。这块内存主要是被JVM存放Class和Meta信息的， Class 在被 Loader 时就会被放到 PermGen space 中。

绝大部分 Java 程序员应该都见过 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 这个异常。
这里的 PermGen space 其实指的就是方法区。不过方法区和PermGen space又有一定的区别。

方法区是 VM 的规范，所有虚拟机必须遵守的。常见的JVM 虚拟机Hotspot、JRockit（Oracle）、J9（IBM）

PermGen space则是 HotSpot 虚拟机基于JVM规范对方法区的一个落地实现，并且只有HotSpot才有 PermGen space。
而如 JRockit（Oracle）、J9（IBM）虚拟机有方法区，但是就没有PermGen space。
PermGen space 是 JDK7及之前， HotSpot虚拟机对方法区的一个落地实现。在JDK8被移除。
Metaspace（元空间）是 JDK8及之后， HotSpot 虚拟机对方法区的新的实现。

JDK6、JDK7 时，方法区就是 PermGen（永久代）。
JDK8 时，方法区就是 Metaspace（元空间）

由于方法区主要存储类的相关信息，所以对于动态生成类的情况比较容易出现永久代的内存溢出。

import java.io.File;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class PermGenOomMock{
    List<ClassLoader> classLoaderList = new ArrayList<ClassLoader>();
    public static void main(String[] args) {
        URL url = null;       
        try {
            url = new File("/tmp").toURI().toURL();
            URL[] urls = {url};
            while (true){
                ClassLoader loader = new URLClassLoader(urls);
                classLoaderList.add(loader);
                loader.loadClass("com.aop8.jvm.test.TestDemo");
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果如下：

本例中使用的 JDK 版本是7，指定的 PermGen 区的大小为 8M。通过每次生成不同URLClassLoader对象来加载Test类，从而生成不同的类对象，这样就能看到我们熟悉的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 异常了。

从此例子中得出：

JDK6 、JDK7 存在 PermGen space；
JDK8 中， Hotspot 已经没有 PermGen space ，取而代之是一个叫做 Metaspace（元空间）

下面我们就来看看 Metaspace 与 PermGen space 的区别。

Metaspace（元空间）

Metaspace（元空间）和 PermGen（永久代）类似，都是对JVM规范中方法区的一种落地实现。

不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

Oracle移除PermGen（永久代）从从JDK7 就开始。例如，字符串内部池，已经在JDK7 中从永久代中移除。直到JDK8的发布将宣告 PermGen（永久代）的终结。

其实，移除 PermGen 的工作从 JDK7 就开始，永久代的部分数据就已经转移到了 Java Heap 或者是 Native Heap。

但永久代仍存在于JDK7 中，并没完全移除，比如：

字面量（interned strings）转移到 Java heap；
类的静态变量（class statics）转移到Java heap ；
符号引用（Symbols）转移到 Native heap ；

必须知道的是 JDK6 、JDK7 依然存在 PermGen space；

JDK6 、JDK7、JDK8 内存溢出的示例

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class StringOomMock {
    static String  base = "string";
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        for (int i=0;i< Integer.MAX_VALUE;i++){
            String str = base + base;
            base = str;
            list.add(str.intern());
        }
    }
}

JDK6 的运行结果：

JDK7 的运行结果：

JDK8 的运行结果：

从运行结果可以得出：

1）、运行时常量池：

在 JDK6 ，抛出永久代（PermGen space）异常，说明运行时常量池存在于方法区；
在 JDK7、JDK8 抛出堆（Java heap space）异常，说明运行时常量池此时在 Java堆中；

2）、方法区（永久代、元空间）：

JDK8 打印ignoring option PermSize=10M; support was removed in 8.0 … 警告的原因：

我们都知道，JDK8时，永久代已被移除，所以不支持 -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M永久代的参数设置。
JDK8 的方法区是元空间，其参数设置是 -XX:MetaspaceSize=N -XX:MaxMetaspaceSize=N 。
反推证出 JDK6 、 JDK7时，永久代还是存在的，否则打印不支持参数设置的警告。

知识扩展：

JDK版本	方法区的实现	运行时常量池所在的位置
JDK6	PermGen space（永久代）	PermGen space（永久代）
JDK7	PermGen space（永久代）	Heap（堆）
JDK8	Metaspace（元空间）	Heap（堆）

元空间与本地内存

元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过以下参数来指定元空间的大小：

-XX:MetaspaceSize ，初始空间大小：达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。

-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间：默认是没有限制的。

除了上面两个指定大小的选项以外，还有两个与 GC 相关的属性：

-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集；
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio ，在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为释放空间所导致的垃圾收集；

现在我们在 JDK8 下重新运行一下上面的代码，不过这次不再指定 PermSize 和 MaxPermSize。而是指定 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 的大小。输出结果如下：

从输出结果，我们可以看出，这次不再出现永久代溢出，而是出现了元空间的溢出。

总结

通过上面分析，大家应该大致了解了 JVM 的内存划分，也清楚了 JDK8 中永久代向元空间的转换。不过大家应该都有一个疑问，就是为什么要做这个转换？所以，最后给大家总结以下几点原因：

字符串存在永久代中，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。
Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。

JVM 底层原理专题

方法区、永久代（PermGen space）、元空间（Metaspace）三者的区别

JVM体系结构

PermGen（永久代）

Metaspace（元空间）

JDK6 、JDK7、JDK8 内存溢出的示例

元空间与本地内存

总结