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一、從方法區(PermGen)到元空間(Metaspace)

方法區(PermGen)

JDK1.8以前的HotSpot JVM有方法區，也叫永久代(permanent generation)。
方法區用于存放已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量，即編譯器編譯后的代碼。
方法區是一片連續的堆空間，通過-XX:MaxPermSize來設定永久代最大可分配空間，當JVM加載的類信息容量超過了這個值，會報OOM:PermGen錯誤。
永久代的GC是和老年代(old generation)捆綁在一起的，無論誰滿了，都會觸發永久代和老年代的垃圾收集。
JDK1.7開始了方法區的部分移除：符號引用(Symbols)移至native heap，字面量(interned strings)和靜態變量(class statics)移至java heap。

為什么要用Metaspace替代方法區

隨著動態類加載的情況越來越多，這塊內存變得不太可控，如果設置小了，系統運行過程中就容易出現內存溢出，設置大了又浪費內存。

二、Metaspace的組成

Metaspace由兩大部分組成：Klass Metaspace和NoKlass Metaspace。

Klass Metaspace

Klass Metaspace就是用來存klass的，就是class文件在jvm里的運行時數據結構（不過我們看到的類似A.class其實是存在heap里的，是java.lang.Class的對象實例）。
這部分默認放在Compressed Class Pointer Space中，是一塊連續的內存區域，

緊接著Heap，和之前的perm一樣。通過-XX:CompressedClassSpaceSize來控制這塊內存的大小，默認是1G。

下圖展示了對象的存儲模型，_mark是對象的Mark Word，_klass是元數據指針

has ccs.jpg

Compressed Class Pointer Space不是必須有的，如果設置了-XX:-UseCompressedClassPointers，或者-Xmx設置大于32G，就不會有這塊內存，這種情況下klass都會存在NoKlass Metaspace里。

no ccs.jpg

NoKlass Metaspace

NoKlass Metaspace專門來存klass相關的其他的內容，比如method，constantPool等，可以由多塊不連續的內存組成。
這塊內存是必須的，雖然叫做NoKlass Metaspace，但是也其實可以存klass的內容，上面已經提到了對應場景。
NoKlass Metaspace在本地內存中分配。

指針壓縮

64位平臺上默認打開
設置-XX:+UseCompressedOops壓縮對象指針， oops指的是普通對象指針(ordinary object pointers)， 會被壓縮成32位。
設置-XX:+UseCompressedClassPointers壓縮類指針，會被壓縮成32位。

三、Metaspace內存管理

在metaspace中，類和其元數據的生命周期與其對應的類加載器相同，只要類的類加載器是存活的，在Metaspace中的類元數據也是存活的，不能被回收。
每個加載器有單獨的存儲空間。
省掉了GC掃描及壓縮的時間。
當GC發現某個類加載器不再存活了，會把對應的空間整個回收。

Metaspace VM使用一個塊分配器(chunking allocator)來管理Metaspace空間的內存分配。塊的大小依賴于類加載器的類型。

Metaspace VM中有一個全局的可使用的塊列表（a global free list of chunks）。當類加載器需要一個塊的時候，類加載器從全局塊列表中取出一個塊，添加到它自己維護的塊列表中。當類加載器死亡，它的塊將會被釋放，歸還給全局的塊列表。

塊（chunk）會進一步被劃分成blocks,每個block存儲一個元數據單元(a unit of metadata)。Chunk中Blocks的是分配線性的（pointer bump）。這些chunks被分配在內存映射空間(memory mapped(mmapped) spaces)之外。在一個全局的虛擬內存映射空間（global virtual mmapped spaces）的鏈表，當任何虛擬空間變為空時，就將該虛擬空間歸還回操作系統。

metachunks.jpg

上面這幅圖展示了Metaspace使用metachunks在mmapeded virual spaces分配的情形。

四、metaspace的主要參數

MetaspaceSize

MaxMetaspaceSize

CompressedClassSpaceSize

MinMetaspaceExpansion

MaxMetaspaceExpansion

MinMetaspaceFreeRatio

MaxMetaspaceFreeRatio

UseLargePagesInMetaspace

InitialBootClassLoaderMetaspaceSize

MetaspaceSize

metaspaceGC發生的初始閾值，也是最小閾值，默認20.8M左右，與之對比的主要是指Klass Metaspace與NoKlass Metaspace兩塊committed的內存和。

觸發metaspaceGC的閾值是不斷變化的：當metaspace使用的內存接近閾值時，會嘗試增大閾值。metaspaceGC后也會調整閾值。

MaxMetaspaceSize

由于metaspace大部分在本地內存中分配，默認基本是無窮大，但仍然受本地內存大小的限制。為了防止metaspace被無止境使用，建議設置這個參數。

這個參數會限制metaspace(包括了Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace)被committed的內存大小，會保證committed的內存不會超過這個值，一旦超過就會觸發GC。
和MaxPermSize的區別，根據MaxMetaspaceSize，并不會在jvm啟動的時候分配一塊這么大的內存出來，而根據MaxPermSize分配的內存則是固定大小。

CompressedClassSpaceSize【指針壓縮】

Compressed Class Pointer Space區域的大小，默認1G。

如果設置了-XX:-UseCompressedClassPointers，或者-Xmx設置大于32G，則這個參數不生效。

這兩個 參數是相互依賴的，關系說明

UseCompressedOops

UseCompressedClassPointers

java8移除了permanent generation，然后class metadata存儲在native memory中，其大小默認是不受限的，可以通過-XX:MaxMetaspaceSize來限制；如果開啟了-XX:+UseCompressedOops及-XX:+UseCompressedClassesPointers(默認是開啟)，則UseCompressedOops會使用32-bit的offset來代表java object的引用，而UseCompressedClassPointers則使用32-bit的offset來代表64-bit進程中的class pointer；可以使用CompressedClassSpaceSize來設置這塊的空間大小
開啟了指針壓縮，則CompressedClassSpace分配在MaxMetaspaceSize里頭，即MaxMetaspaceSize=Compressed Class Space Size + Metaspace area (excluding the Compressed Class Space) Size
查看CompressedClassSpace的內存使用情況有好幾種方法：

jcmd pid GC.heap_info(Metaspace為總的部分，包含了class space，而Metaspace area (excluding the Compressed Class Space)需要自己計算即total-class space)
jcmd pid VM.native_memory(class為總的部分，包含了Metaspace area (excluding the Compressed Class Space)及Class Space)
使用JMX來獲取NON_HEAP類型中的name為Metaspace及Compressed Class Space的MemoryPoolMXBean可以得到Metaspace及Compressed Class Space的使用情況(JMX得到的Metaspace為總的部分，而Metaspace area (excluding the Compressed Class Space)需要自己計算即total-class space)
如果是springboot應用，它使用micrometer，通過/actuator/metrics接口提供相關指標查詢功能，其中Metaspace及Compressed Class Space在jvm.memory.used這個metric中

MinMetaspaceExpansion

MinMetaspaceExpansion和MaxMetaspaceExpansion這兩個參數這兩個參數和擴容其實并沒有直接的關系，并不是為了增大committed的內存。

主要是在比較特殊的場景下救急使用，增大觸發metaspace GC的閾值，延遲GC的發生。

默認332.8K，增大觸發metaspace GC閾值的最小要求。

如果需要分配的內存小于MinMetaspaceExpansion，則將metaspace GC的閾值提升MinMetaspaceExpansion。

MaxMetaspaceExpansion

默認5.2M，增大觸發metaspace GC閾值的最大要求。

如果需要分配的內存大于MinMetaspaceExpansion但是小于MaxMetaspaceExpansion，那增量就是MaxMetaspaceExpansion。

如果需要分配的內存超過了MaxMetaspaceExpansion，那增量就是MinMetaspaceExpansion加上要分配的內存大小

注：每次分配只會給對應的線程一次擴展觸發metaspace GC閾值的機會，如果擴展了，但是還不能分配，那就只能等著做GC了。

MinMetaspaceFreeRatio

MinMetaspaceFreeRatio和下面的MaxMetaspaceFreeRatio，主要是影響觸發metaspaceGC的閾值。

默認40，表示每次GC完之后，如果metaspace內存的空閑比例小于MinMetaspaceFreeRatio%，那么將嘗試做擴容，增大觸發metaspaceGC的閾值。

不過這個增量至少是MinMetaspaceExpansion才會做，不然不會增加這個閾值。

這個參數主要是為了避免觸發metaspaceGC的閾值和gc之后committed的內存的量比較接近，于是將這個閾值進行擴大。

注：這里不用gc之后used的量來算，主要是擔心可能出現committed的量超過了觸發metaspaceGC的閾值，這種情況一旦發生會很危險，會不斷做gc，這應該是jdk8在某個版本之后才修復的bug

MaxMetaspaceFreeRatio

默認70，這個參數和上面的參數基本是相反的，是為了避免觸發metaspaceGC的閾值過大，而想對這個值進行縮小。

這個參數在gc之后committed的內存比較小的時候并且離觸發metaspaceGC的閾值比較遠的時候，調整會比較明顯。

UseLargePagesInMetaspace

默認false，這個參數是說是否在metaspace里使用LargePage，一般情況下我們使用4KB的page size，這個參數依賴于UseLargePages這個參數開啟，不過這個參數我們一般不開。

InitialBootClassLoaderMetaspaceSize

64位下默認4M，32位下默認2200K，metasapce前面已經提到主要分了兩大塊，Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace，而NoKlass Metaspace是由一塊塊內存組合起來的，這個參數決定了NoKlass Metaspace的第一個內存Block的大小，即2*InitialBootClassLoaderMetaspaceSize，同時為bootstrapClassLoader的第一塊內存chunk分配了InitialBootClassLoaderMetaspaceSize的大小

五、jstat里的metaspace字段

我們看GC是否異常，除了通過GC日志來做分析之外，我們還可以通過jstat這樣的工具展示的數據來分析，前面我公眾號里有篇文章介紹了jstat這塊的實現，有興趣的可以到我的公眾號你假笨里去翻閱下jstat的這篇文章。

我們通過jstat可以看到metaspace相關的這么一些指標，分別是M，CCS，MC，MU，CCSC，CCSU，MCMN，MCMX，CCSMN，CCSMX

MC & MU & CCSC & CCSU

MC表示Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace兩者總共committed的內存大小，單位是KB，雖然從上面的定義里我們看到了是capacity，但是實質上計算的時候并不是capacity，而是committed，這個是要注意的
MU這個無可厚非，說的就是Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace兩者已經使用了的內存大小
CCSC表示的是Klass Metaspace的已經被commit的內存大小，單位也是KB
CCSU表示Klass Metaspace的已經被使用的內存大小

M & CCS

M表示的是Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace兩者總共的使用率，其實可以根據上面的四個指標算出來，即(CCSU+MU)/(CCSC+MC)
CCS表示的是NoKlass Metaspace的使用率，也就是CCSU/CCSC算出來的

PS：所以我們有時候看到M的值達到了90%以上，其實這個并不一定說明metaspace用了很多了，因為內存是慢慢commit的，所以我們的分母是慢慢變大的，不過當我們committed到一定量的時候就不會再增長了

MCMN & MCMX & CCSMN & CCSMX

MCMN和CCSMN這兩個值可以忽略，一直都是0
MCMX表示Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace兩者總共的reserved的內存大小，比如默認情況下Klass Metaspace是通過CompressedClassSpaceSize這個參數來reserved 1G的內存，NoKlass Metaspace默認reserved的內存大小是2* InitialBootClassLoaderMetaspaceSize
CCSMX表示Klass Metaspace reserved的內存大小

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【JVM】元空间详解 Metaspace的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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