JVM高階面試：Java8為什么使用元空間替換永久代？
1. 方法區簡介
JVM 的內存模型主要包括程序計數器（Program Counter Register）、虛擬機棧（VM Stack）、本地方法棧（Native Method Stack）、堆（Heap）和方法區（Method Area）。
方法區（Method Area）是所有線程共享的內存區域，用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。
具體來說，方法區用來存儲以下數據：
- 類的元數據信息：包括類的名稱、訪問標志、父類、接口、字段、方法等信息。
- 運行時常量池：在Java代碼中，常量可以被直接定義在類或接口中，這些常量在編譯后被存儲在Class文件的常量池中，而運行時常量池則是從Class文件中加載的。
- 靜態變量和常量：類的靜態變量和常量都存儲在方法區中，它們在類加載的時候被初始化并分配內存空間。
- 方法字節碼：在Java中，方法的字節碼被編譯成Class文件并存儲在方法區中。
- 即時編譯器（JIT）編譯后的代碼：為了提高程序的執行效率，JIT會將熱點代碼編譯成本地機器碼并存儲在方法區中。
方法區只是 JVM 規范中定義的一個概念，針對 Hotspot 虛擬機，Java8 之前使用永久代（Permanent Generation，簡稱 PermGen）實現，而 Java8 之后使用元空間（Metaspace）實現。
JDK8 之前可以通過 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 來設置永久代大小，JDK8 之后，使用元空間替換了永久代，改為通過 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 來設置元空間大小。
2. 永久代問題
2.1 內存溢出
永久代的空間是有限制的，可以通過 -XX:PermSize 設置永久代初始容量，通過-XX:MaxPermSize 設置永久代最大容量。
但是當加載過多的類或者常量的時候，就可能導致永久代的空間不足，拋出 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 異常。尤其是web應用會使用很多框架，這些框架會動態加載很多基礎類，更容易導致OOM。
2.2 垃圾回收效率低下
永久代中的類信息一般是在應用程序運行期間不會發生變化的，因此，如果開啟了永久代的垃圾回收，就會造成大量的垃圾回收操作，導致垃圾回收效率低下，甚至會引起應用程序的暫停。
此外，由于永久代主要存放 JVM 加載的類信息等永久存在的數據，這使得它在垃圾回收過程中的回收效率相對較低。在某些情況下，頻繁觸發的 Full GC 不僅無法有效回收永久代空間，還會嚴重影響 JVM 的性能。
2.3 無法動態調整大小
永久代的大小一旦被設置，就無法動態調整，如果預估錯誤，就可能導致浪費內存或內存不足的問題。
2.4 無法回收常量池中的內存
在永久代中，常量池是一個非常重要的部分，但是其中的常量無法被回收，即使這些常量已經不再被使用，也無法被垃圾回收器回收，這會浪費內存。
3. 元空間簡介
元空間（Metaspace）是 Java8 中引入的一個新概念，用來替代原來的永久代。與永久代不同，元空間并不在虛擬機中，而是存儲在本地內存（Native Memory）。
從 Java7 已經開始逐步移除永久代，在Java7中把 interned Strings 、 class statics 和 String Pool 從永久代移到堆中。在 Java8 中徹底移除了永久代，把將類的元數據信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼從永久代中移到了元空間中。
4. 元空間的優點
與永久代相比，使用元空間使用方法區具有以下優點：
- 突破內存限制，減少OOM。 由于元空間使用的是本地內存，而不是 JVM 內存，因此理論上，其大小只受限于操作系統的實際可用內存。這大大減少了內存溢出的可能性。相較于永久代在 JVM 堆中預分配的有限空間，元空間的引入提供了更大的空間來存儲類元數據。
- 提高 Full GC 的效率。 在永久代中，Full GC 的觸發比較頻繁，而且效率較低。因為永久代中存放了很多 JVM 需要的類信息，這些數據大多數是不會被清理的，所以 Full GC 往往無法回收多少空間。但在元空間模型中，由于字符串常量池已移至堆中，靜態變量也移至 Java 堆或者本地內存，因此可以更有效地進行垃圾回收，避免了因頻繁的 Full GC 導致的性能影響。
- 滿足不同的類加載需求和動態類加載的情況。 在一些大型的、模塊化的應用中，可能需要加載大量的類，這就需要大量的元數據存儲空間。元空間可以動態地調整大小，能更好地滿足這種需求。
- 避免永久代調優和大小設置的復雜性。 在 Java8 之前的版本中，通常需要手動設置永久代的大小，以避免內存溢出的錯誤。這增加了應用的配置和管理的復雜性。而元空間使用本地內存，根據實際需求動態調整，大大簡化了內存管理的復雜性。
5. 元空間問題
盡管元空間解決了永久代的一些問題，可能也同時引入了一些新問題：
- 可能導致本地內存溢出：雖然元空間使用的是本地內存，理論上其大小只受限于操作系統的實際可用內存，但是如果元空間的使用不加以控制，可能會導致大量的本地內存被占用，從而導致 OutOfMemoryError。
- 內存管理和調優策略：永久代的內存管理和調優策略無法直接應用到元空間，需要重新考慮和設計。例如，如何確定元空間的初始大小、最大大小，如何進行垃圾回收，等等。
因此，雖然元空間為 JVM 的內存管理帶來了新的可能，但也帶來了新的挑戰。為了充分利用元空間的優勢，開發者需要理解其工作原理，掌握正確的使用和調優方法。
6. 總結
Java8 選擇使用元空間（Metaspace）替代永久代（PermGen）是 JVM 內存模型的一次重大改進。解決了永久代面臨的空間限制、低效的垃圾回收、以及復雜的內存管理等問題。元空間利用本地內存，能夠動態調整大小，提供了更大的空間來存儲類元數據，也更好地適應了大型、模塊化應用的需求。
但是元空間也引入了一些新問題。如何避免本地內存溢出，如何制定有效的內存管理和調優策略，都是開發者需要重新考慮的問題。
