【JVM】元空间详解 Metaspace

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一、从方法区(PermGen)到元空间(Metaspace)

• 方法区(PermGen)

1. JDK1.8以前的HotSpot JVM有方法区，也叫永久代(permanent generation)。
2. 方法区用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量，即编译器编译后的代码。
3. 方法区是一片连续的堆空间，通过-XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配空间，当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报OOM:PermGen错误。
4. 永久代的GC是和老年代(old generation)捆绑在一起的，无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集。
5. JDK1.7开始了方法区的部分移除：符号引用(Symbols)移至native heap，字面量(interned strings)和静态变量(class statics)移至java heap。

• 为什么要用Metaspace替代方法区
  随着动态类加载的情况越来越多，这块内存变得不太可控，如果设置小了，系统运行过程中就容易出现内存溢出，设置大了又浪费内存。

二、Metaspace的组成

Metaspace由两大部分组成：Klass Metaspace和NoKlass Metaspace。

• Klass Metaspace

1. Klass Metaspace就是用来存klass的，就是class文件在jvm里的运行时数据结构（不过我们看到的类似A.class其实是存在heap里的，是java.lang.Class的对象实例）。
2. 这部分默认放在Compressed Class Pointer Space中，是一块连续的内存区域，
   紧接着Heap，和之前的perm一样。通过-XX:CompressedClassSpaceSize来控制这块内存的大小，默认是1G。
   下图展示了对象的存储模型，_mark是对象的Mark Word，_klass是元数据指针
   
    

   

   has ccs.jpg
3. Compressed Class Pointer Space不是必须有的，如果设置了-XX:-UseCompressedClassPointers，或者-Xmx设置大于32G，就不会有这块内存，这种情况下klass都会存在NoKlass Metaspace里。
   
    

   

   no ccs.jpg

• NoKlass Metaspace

1. NoKlass Metaspace专门来存klass相关的其他的内容，比如method，constantPool等，可以由多块不连续的内存组成。
2. 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，上面已经提到了对应场景。
3. NoKlass Metaspace在本地内存中分配。

• 指针压缩

1. 64位平台上默认打开
2. 设置-XX:+UseCompressedOops压缩对象指针， oops指的是普通对象指针(ordinary object pointers)， 会被压缩成32位。
3. 设置-XX:+UseCompressedClassPointers压缩类指针，会被压缩成32位。

三、Metaspace内存管理

1. 在metaspace中，类和其元数据的生命周期与其对应的类加载器相同，只要类的类加载器是存活的，在Metaspace中的类元数据也是存活的，不能被回收。
2. 每个加载器有单独的存储空间。
3. 省掉了GC扫描及压缩的时间。
4. 当GC发现某个类加载器不再存活了，会把对应的空间整个回收。

Metaspace VM使用一个块分配器(chunking allocator)来管理Metaspace空间的内存分配。块的大小依赖于类加载器的类型。
Metaspace VM中有一个全局的可使用的块列表（a global free list of chunks）。当类加载器需要一个块的时候，类加载器从全局块列表中取出一个块，添加到它自己维护的块列表中。当类加载器死亡，它的块将会被释放，归还给全局的块列表。
块（chunk）会进一步被划分成blocks,每个block存储一个元数据单元(a unit of metadata)。Chunk中Blocks的是分配线性的（pointer bump）。这些chunks被分配在内存映射空间(memory mapped(mmapped) spaces)之外。在一个全局的虚拟内存映射空间（global virtual mmapped spaces）的链表，当任何虚拟空间变为空时，就将该虚拟空间归还回操作系统。

 

metachunks.jpg

上面这幅图展示了Metaspace使用metachunks在mmapeded virual spaces分配的情形。

 

四、metaspace的主要参数

MetaspaceSize
MaxMetaspaceSize
CompressedClassSpaceSize
MinMetaspaceExpansion
MaxMetaspaceExpansion
MinMetaspaceFreeRatio
MaxMetaspaceFreeRatio
UseLargePagesInMetaspace
InitialBootClassLoaderMetaspaceSize

MetaspaceSize

metaspaceGC发生的初始阈值，也是最小阈值，默认20.8M左右，与之对比的主要是指Klass Metaspace与NoKlass Metaspace两块committed的内存和。

• 触发metaspaceGC的阈值是不断变化的：当metaspace使用的内存接近阈值时，会尝试增大阈值。metaspaceGC后也会调整阈值。

MaxMetaspaceSize

由于metaspace大部分在本地内存中分配，默认基本是无穷大，但仍然受本地内存大小的限制。为了防止metaspace被无止境使用，建议设置这个参数。

• 这个参数会限制metaspace(包括了Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace)被committed的内存大小，会保证committed的内存不会超过这个值，一旦超过就会触发GC。
• 和MaxPermSize的区别，根据MaxMetaspaceSize，并不会在jvm启动的时候分配一块这么大的内存出来，而根据MaxPermSize分配的内存则是固定大小。

CompressedClassSpaceSize【指针压缩】

Compressed Class Pointer Space区域的大小，默认1G。
如果设置了-XX:-UseCompressedClassPointers，或者-Xmx设置大于32G，则这个参数不生效。

这两个 参数是相互依赖的，关系说明

UseCompressedOops

UseCompressedClassPointers

 

 

• java8移除了permanent generation，然后class metadata存储在native memory中，其大小默认是不受限的，可以通过-XX:MaxMetaspaceSize来限制；如果开启了-XX:+UseCompressedOops及-XX:+UseCompressedClassesPointers(默认是开启)，则UseCompressedOops会使用32-bit的offset来代表java object的引用，而UseCompressedClassPointers则使用32-bit的offset来代表64-bit进程中的class pointer；可以使用CompressedClassSpaceSize来设置这块的空间大小
• 开启了指针压缩，则CompressedClassSpace分配在MaxMetaspaceSize里头，即MaxMetaspaceSize=Compressed Class Space Size + Metaspace area (excluding the Compressed Class Space) Size
• 查看CompressedClassSpace的内存使用情况有好几种方法：
  • jcmd pid GC.heap_info(Metaspace为总的部分，包含了class space，而Metaspace area (excluding the Compressed Class Space)需要自己计算即total-class space)
  • jcmd pid VM.native_memory(class为总的部分，包含了Metaspace area (excluding the Compressed Class Space)及Class Space)
  • 使用JMX来获取NON_HEAP类型中的name为Metaspace及Compressed Class Space的MemoryPoolMXBean可以得到Metaspace及Compressed Class Space的使用情况(JMX得到的Metaspace为总的部分，而Metaspace area (excluding the Compressed Class Space)需要自己计算即total-class space)
  • 如果是springboot应用，它使用micrometer，通过/actuator/metrics接口提供相关指标查询功能，其中Metaspace及Compressed Class Space在jvm.memory.used这个metric中

 

 

MinMetaspaceExpansion

MinMetaspaceExpansion和MaxMetaspaceExpansion这两个参数这两个参数和扩容其实并没有直接的关系，并不是为了增大committed的内存。
主要是在比较特殊的场景下救急使用，增大触发metaspace GC的阈值，延迟GC的发生。
默认332.8K，增大触发metaspace GC阈值的最小要求。
如果需要分配的内存小于MinMetaspaceExpansion，则将metaspace GC的阈值提升MinMetaspaceExpansion。

MaxMetaspaceExpansion

默认5.2M，增大触发metaspace GC阈值的最大要求。
如果需要分配的内存大于MinMetaspaceExpansion但是小于MaxMetaspaceExpansion，那增量就是MaxMetaspaceExpansion。
如果需要分配的内存超过了MaxMetaspaceExpansion，那增量就是MinMetaspaceExpansion加上要分配的内存大小

注：每次分配只会给对应的线程一次扩展触发metaspace GC阈值的机会，如果扩展了，但是还不能分配，那就只能等着做GC了。

MinMetaspaceFreeRatio

MinMetaspaceFreeRatio和下面的MaxMetaspaceFreeRatio，主要是影响触发metaspaceGC的阈值。

默认40，表示每次GC完之后，如果metaspace内存的空闲比例小于MinMetaspaceFreeRatio%，那么将尝试做扩容，增大触发metaspaceGC的阈值。
不过这个增量至少是MinMetaspaceExpansion才会做，不然不会增加这个阈值。
这个参数主要是为了避免触发metaspaceGC的阈值和gc之后committed的内存的量比较接近，于是将这个阈值进行扩大。

注：这里不用gc之后used的量来算，主要是担心可能出现committed的量超过了触发metaspaceGC的阈值，这种情况一旦发生会很危险，会不断做gc，这应该是jdk8在某个版本之后才修复的bug

MaxMetaspaceFreeRatio

默认70，这个参数和上面的参数基本是相反的，是为了避免触发metaspaceGC的阈值过大，而想对这个值进行缩小。
这个参数在gc之后committed的内存比较小的时候并且离触发metaspaceGC的阈值比较远的时候，调整会比较明显。

UseLargePagesInMetaspace

默认false，这个参数是说是否在metaspace里使用LargePage，一般情况下我们使用4KB的page size，这个参数依赖于UseLargePages这个参数开启，不过这个参数我们一般不开。

InitialBootClassLoaderMetaspaceSize

64位下默认4M，32位下默认2200K，metasapce前面已经提到主要分了两大块，Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace，而NoKlass Metaspace是由一块块内存组合起来的，这个参数决定了NoKlass Metaspace的第一个内存Block的大小，即2*InitialBootClassLoaderMetaspaceSize，同时为bootstrapClassLoader的第一块内存chunk分配了InitialBootClassLoaderMetaspaceSize的大小

五、jstat里的metaspace字段

我们看GC是否异常，除了通过GC日志来做分析之外，我们还可以通过jstat这样的工具展示的数据来分析，前面我公众号里有篇文章介绍了jstat这块的实现，有兴趣的可以到我的公众号你假笨里去翻阅下jstat的这篇文章。

我们通过jstat可以看到metaspace相关的这么一些指标，分别是M，CCS，MC，MU，CCSC，CCSU，MCMN，MCMX，CCSMN，CCSMX

MC & MU & CCSC & CCSU

• MC表示Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace两者总共committed的内存大小，单位是KB，虽然从上面的定义里我们看到了是capacity，但是实质上计算的时候并不是capacity，而是committed，这个是要注意的
• MU这个无可厚非，说的就是Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace两者已经使用了的内存大小
• CCSC表示的是Klass Metaspace的已经被commit的内存大小，单位也是KB
• CCSU表示Klass Metaspace的已经被使用的内存大小

M & CCS

• M表示的是Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace两者总共的使用率，其实可以根据上面的四个指标算出来，即(CCSU+MU)/(CCSC+MC)
• CCS表示的是NoKlass Metaspace的使用率，也就是CCSU/CCSC算出来的

PS：所以我们有时候看到M的值达到了90%以上，其实这个并不一定说明metaspace用了很多了，因为内存是慢慢commit的，所以我们的分母是慢慢变大的，不过当我们committed到一定量的时候就不会再增长了

MCMN & MCMX & CCSMN & CCSMX

• MCMN和CCSMN这两个值可以忽略，一直都是0
• MCMX表示Klass Metaspace以及NoKlass Metaspace两者总共的reserved的内存大小，比如默认情况下Klass Metaspace是通过CompressedClassSpaceSize这个参数来reserved 1G的内存，NoKlass Metaspace默认reserved的内存大小是2* InitialBootClassLoaderMetaspaceSize
• CCSMX表示Klass Metaspace reserved的内存大小