JVM内存模型——堆(heap)、栈(stack)和方法区(method)
JAVA的JVM的内存可分为3个区：堆(heap)、栈(stack)和方法区(method)
堆区:堆内存用于存放由new创建的对象和数组。堆是JVM管理的内存中最大的一块，堆被所有线程共享，目的是为了存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配。
1.存储的全部是对象，每个对象都包含一个与之对应的class的信息。(class的目的是得到操作指令)
2.jvm只有一个堆区(heap)被所有线程共享，堆中不存放基本类型和对象引用，只存放对象本身
栈区:Java栈是一块线程私有的空间，一个栈，一般由三部分组成:局部变量表、操作数据栈和帧数据区
1.每个线程包含一个栈区，栈中只保存基础数据类型的对象和自定义对象的引用(不是对象)，对象都存放在堆区中
2.每个栈中的数据(原始类型和对象引用)都是私有的，其他栈不能访问。
3.栈分为3个部分：基本类型变量区、执行环境上下文、操作指令区(存放操作指令)。
栈分为栈、本地方法栈、程序计数器栈（三个部分都是线程独占）
栈（方法栈）：是线程私有的，线程在执行每个方法时都会同时创建一个栈帧，用来存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。调用方法时执行入栈，方法返回时执行出栈
本地方法栈：与栈类似，也是用来保存线程执行方法时的信息，不同的是，执行 Java 方法使用栈，而执行 native 方法使用本地方法栈。
程序计数器：保存着当前线程所执行的字节码位置。简单来讲是一个指针，指向方法区中的方法字节码（下一个将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令。每个线程工作时都有一个独立的计数器。程序计数器为执行 Java 方法服务，执行 native 方法时，程序计数器为空。 是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。
方法区:Java方法区和堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域，保存系统的类信息。各个线程共享的内存区域，又叫非堆区。用于存储已被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
1.又叫静态区，跟堆一样，被所有的线程共享。方法区包含所有的class和static变量。
2.方法区中包含的都是在整个程序中永远唯一的元素，如class，static变量。
3.方法区的大小决定系统可以保存多少个类。如果系统定义太多的类，导致方法区溢出。虚拟机同样会抛出内存溢出的错误。方法区可以理解为永久区。
栈区：用来存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。 遵循“先进后出”/“后进先出”原则。
局部变量表：用于报错函数的参数及局部变量（基本类型变量区）
操作数栈 ：主要保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中的变量临时的存储空间。（操作指令区）
帧数据区 : 除了局部变量表和操作数据栈以外，栈还需要一些数据来支持常量池的解析，这里帧数据区保存着访问常量池的指针，方便计程序访问常量池，另外当函数返回或出现异常时卖虚拟机子必须有一个异常处理表，方便发送异常的时候找到异常的代码，因此异常处理表也是帧数据区的一部分。（执行环境上下文）
Heap堆区：
根据垃圾回收机制的不同，Java堆有可能拥有不同的结构，最为常见的就是将整个Java堆分为新生代和老年代。其中新声带存放新生的对象或者年龄不大的对象，老年代则存放老年对象。
新生代分为Eden space、survivor 0 space(s0)、survivor 1 space(s1)（s0和s1也被称为from和to区域，他们是两块大小相等并且可以互相角色的空间。）
绝大多数情况下，对象首先分配在eden区，在新生代回收后，如果对象还存活，则进入s0或s1区，之后每经过一次新生代回收，如果对象存活则它的年龄就加1，对象达到一定的年龄后，则进入老年代（养老区、永久存储区）。
养老区：养老区用于保存从新生区筛选出来的 JAVA 对象，一般池对象都在这个区域活跃。
永久存储区：是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的 Class,Interface 的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭 JVM 才会释放此区域所占用的内存。
如果出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，说明是Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。原因有二：
a. 程序启动需要加载大量的第三方jar包。例如：在一个Tomcat下部署了太多的应用。
b. 大量动态反射生成的类不断被加载，最终导致Perm区被占满。
说明：
Jdk1.6及之前：常量池分配在永久代 。
Jdk1.7：有，但已经逐步“去永久代” 。
Jdk1.8及之后：无(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,这种错误将不会出现在JDK1.8中)。
1.寄存器：最快的存储区, 由编译器根据需求进行分配,我们在程序中无法控制.
2. 栈：存放基本类型的变量数据和对象的引用，但对象本身不存放在栈中，而是存放在堆（new 出来的对象）或者常量池中（字符串常量对象存放在常量池中。）
3. 堆：存放所有new出来的对象。
4. 静态域：存放静态成员（static定义的）
5. 常量池：存放字符串常量和基本类型常量（public static final）。
6. 非RAM存储：硬盘等永久存储空间
这里我们主要关心栈，堆和常量池，对于栈和常量池中的对象可以共享，对于堆中的对象不可以共享。栈中的数据大小和生命周期是可以确定的，当没有引用指向数据时，这个数据就会消失。堆中的对象的由垃圾回收器负责回收，因此大小和生命周期不需要确定，具有很大的灵活性。
对于字符串：其对象的引用都是存储在栈中的，如果是编译期已经创建好(直接用双引号定义的)的就存储在常量池中，如果是运行期（new出来的）才能确定的就存储在堆中。对于equals相等的字符串，在常量池中永远只有一份，在堆中有多份。
static修饰的属性强调它们只有一个，final修饰的属性表明是一个常数（创建后不能被修改）。static final修饰的属性表示一旦给值，就不可修改，并且可以通过类名访问。
static final也可以修饰方法，表示该方法不能重写，可以在不new对象的情况下调用。（方法区）
Java中native堆在用户空间，堆外内存 1次拷贝，堆内存 2次拷贝
直接内存在用户空间，进入内核空间需要操作系统辅助API切入，以及数据从用户空间传入内核空间。
普通应用都是用户空间，只有驱动程序等直接访问内核空间
只有内核空间的内存才能被DMA引擎独立异步地存取。
JVM学习——元空间（Metaspace）
一、从方法区(PermGen)到元空间(Metaspace)
- 方法区(PermGen)
- JDK1.8以前的HotSpot JVM有方法区，也叫永久代(permanent generation)。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
- 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）。
- 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 - 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
- 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。
- 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。
- NoKlass Metaspace在本地内存中分配。
- 指针压缩
- 64位平台上默认打开
- 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。
- 设置-XX:+UseCompressedClassPointers压缩类指针，会被压缩成32位。
三、Metaspace内存管理
- 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。
- 每个加载器有单独的存储空间。
- 省掉了GC扫描及压缩的时间。
- 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。
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
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。
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
