第5章：深入元空间
在第4章中，我们详细研究了垃圾收集。我们发现，没有引用的对象符合垃圾收集的条件。实际上，垃圾收集器标记那些与栈有连接的对象，将其标注为存活对象。然后，垃圾收集器的清除阶段回收未被标记（死对象）的对象的内存。
我们还研究了各种垃圾收集的实现。根据你的具体标准，需要对每种实现进行评估。
本章聚焦于一个称为元空间（Metaspace）的区域。我们将按以下主题研究元空间：
- JVM 对元空间的使用
- 类加载
- 释放元空间内存
让我们从 JVM 对元空间的使用开始。
JVM 对元空间的使用
元空间是堆外本地内存的一个特殊区域。本地内存是由操作系统提供给应用程序供其自身使用的内存。JVM 使用元空间来存储类相关信息，即类的运行时表示。这是类的元数据（metadata）；因此元数据存储在元空间中。
元数据
元数据是关于数据的信息。例如，数据库中的列是关于列中数据的元数据。因此，如果一个列名为 Name，而某个具体行的值为 John，那么 Name 就是关于 John 的元数据。
这些元数据包括以下内容：
- 类文件
- 类的结构和方法
- 常量
- 注解
- 优化
因此，在元数据中，JVM 拥有处理该类所需的一切信息。
PermGen（永久代）
在 Java 8 之前，元数据存储在与堆连续的一个区域中，称为 PermGen（永久代）。PermGen 存储了类元数据、字符串常量池（interned strings）以及类的静态变量。从 Java 8 开始，类元数据现在存储在元空间中，而字符串常量池和类的静态变量存储在堆上。
现在让我们来研究类加载。
类加载
当某个类首次被访问时（例如，当创建该类的一个对象时），类加载器会定位类文件并在元空间中分配其元数据。类加载器拥有这些分配的元空间，而类加载器实例本身则加载到堆上。一旦加载完成，后续的引用会重用同一类元数据。
此时有两个值得提及的类加载器：引导类加载器（bootstrap class loader，负责加载类加载器本身）和应用程序类加载器（application class loader）。这两个类加载器的元数据永久驻留在元空间中，因此永远不会被垃圾收集。
另一方面，动态类加载器（dynamic class loaders）及其所加载的类符合垃圾收集的条件。
这就引出了元空间内存的释放。
释放元空间内存
从 PermGen（Java 8 之前）到元空间（Java 8 及以后）的一个主要变化是：元空间现在可以动态增长。默认情况下，元空间分配的内存量是无上限的，因为它是本地内存的一部分。可以通过 JVM 标志 -XX:MetaspaceSize 自定义元空间的大小。
元空间仅在两种情况下触发垃圾收集：
- 元空间耗尽内存
- 元空间大小超过 JVM 设定的阈值
让我们分别研究这两种情况。
元空间耗尽内存
如上所述，默认情况下，元空间可用的本地内存是无限的。如果你用尽内存，会收到 OutOfMemoryError 消息，并且这会触发一次垃圾收集。你可以使用 JVM 标志 -XX:MaxMetaspaceSize 限制元空间的大小。如果达到此限制，也会触发一次垃圾收集。
元空间大小超过 JVM 设定的阈值
我们可以配置 JVM，在元空间达到某个阈值（称为高水位线）时触发垃圾收集。此外，我们可以根据垃圾收集的结果动态调整此阈值。提高高水位线可以防止过快再次触发垃圾收集。降低高水位线则相反：有助于更快地触发下一次垃圾收集。该阈值（高水位线）初始设置为 JVM 标志 -XX:MetaspaceSize 的值。我们使用 -XX:MinMetaspaceFreeRatio 和 -XX:MaxMetaspaceFreeRatio 标志来分别提高或降低高水位线。
现在我们知道垃圾收集在元空间中何时运行，让我们研究垃圾收集在元空间方面是如何工作的。
元空间的垃圾收集
由于类加载器拥有类的元数据，垃圾收集器只能在类加载器本身死亡时才能回收这些元数据。类加载器只有在它所加载的所有类都没有任何实例时才算死亡。
让我们看一个例子来帮助进一步解释这一点。该示例假设使用一个动态类加载器，并使用简化的图示以便于说明。
图 5.1 描述了创建了两个 O 类型对象和一个 P 类型对象之后内存中的情况。
图 5.1 – 元空间分配
在上图中，初始时，JVM 在堆上创建了类加载器对象（深蓝色）、两个 O 类型对象（浅蓝色）和一个 P 类型对象（黄色）。O 和 P 的引用位于栈上。在创建第一个 O 和 P 实例时，类加载器将 O 和 P 的元数据加载到元空间中。但是，在创建第二个 O 实例时，元空间中不会发生任何操作，因为 O 的元数据已经加载完毕。
图 5.2 将展示当两个 O 引用都超出作用域但垃圾收集尚未运行时内存中的情况：
图 5.2 – 元空间（两个
O引用超出作用域）
如您所见，JVM 已将两个 O 引用从栈中弹出。垃圾收集尚未运行，因此实例仍保留在堆上。图 5.3 显示了第一次垃圾收集运行后的情况：
图 5.3 – 垃圾收集后的元空间（第 1 次运行）
在上图中，我们可以看到垃圾收集器从堆中回收了两个（死亡）O 对象。此外，垃圾收集器将类加载器和 P 对象都移到了幸存区（survivor space）。
请注意，即使堆上没有 O 类型的对象，O 的元数据仍然保留在元空间中。这是因为垃圾收集器无法回收 O 的类加载器，因为堆上还存在 P 类型的对象（同一个类加载器同时加载了 O 和 P）。
图 5.4 显示了当 P 引用超出作用域且垃圾收集再次运行时内存中的情况：
图 5.4 – 垃圾收集后的元空间（第 2 次运行）
我们可以看到 JVM 已将 P 的引用从栈中弹出。结果，垃圾收集器回收了 P 类型的对象。
由于垃圾收集器现在已回收了 O 和 P 类型的所有实例，因此它可以回收加载了 O 和 P 的类加载器。最后，垃圾收集器终于可以回收元空间中 O 和 P 类的元数据。
本章到此结束。让我们回顾一下主要要点。
总结
在本章中，我们深入研究了元空间（以前称为 PermGen）。元空间是堆外内存的一个特殊区域，专门用于存储类的元数据。元数据包含使 JVM 能够处理类的信息，例如方法字节码、常量和注解。当类首次被使用时，其元数据被加载到元空间中。例如首次创建对象时。
默认情况下，元空间可用的本地内存是无限的。可以使用 JVM 标志 -XX:MaxMetaspaceSize 配置最大元空间大小。可以使用 -XX:MetaspaceSize 标志初始设置一个阈值（高水位线）。如果设置了阈值并达到该阈值，则会触发一次垃圾收集。通过结合使用 -XX:MinMetaspaceFreeRatio 和 -XX:MaxMetaspaceFreeRatio 这两个 JVM 标志以及垃圾收集的结果，我们可以动态影响高水位线，从而影响下一次垃圾收集的间隔。
我们通过一个例子看到，类的元数据会一直保留在元空间中，直到垃圾收集器释放加载该类的类加载器。而这只有在那个类加载器所加载的所有类都没有实例时才能发生。
既然我们已经深入研究了元空间，接下来我们将关注下一章，该章重点介绍 JVM 内存管理的配置和监控。
图片说明
原书包含图 5.1、5.2、5.3、5.4，分别位于第 118-120 页。由于无法获取图片内容，上述文字已根据上下文描述了每幅图的关键信息。如果你有原始图片，可以将其插入到对应位置。