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全网最硬核 JVM 内存解析 - 7.元空间存储的元数据

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本篇是关于 JVM 内存的详细分析。网上有很多关于 JVM 内存结构的分析以及图片，但是由于不是一手的资料亦或是人云亦云导致有很错误，造成了很多误解；并且，这里可能最容易混淆的是一边是 JVM Specification 的定义，一边是 Hotspot JVM 的实际实现，有时候人们一些部分说的是 JVM Specification，一部分说的是 Hotspot 实现，给人一种割裂感与误解。本篇主要从 Hotspot 实现出发，以 Linux x86 环境为主，紧密贴合 JVM 源码并且辅以各种 JVM 工具验证帮助大家理解 JVM 内存的结构。但是，本篇仅限于对于这些内存的用途，使用限制，相关参数的分析，有些地方可能比较深入，有些地方可能需要结合本身用这块内存涉及的 JVM 模块去说，会放在另一系列文章详细描述。最后，洗稿抄袭狗不得 house

本篇全篇目录（以及涉及的 JVM 参数）：

4. JVM 元空间设计

4.1. 什么是元数据，为什么需要元数据

JVM 在执行 Java 应用程序时，将加载的 Java 类的许多细节记录在内存中，这些信息称为类元数据（Class MetaData）。这些元数据对于 Java 的很多灵活的语言以及虚拟机特性都是很重要的，比如动态类加载、JIT 实时编译、反射以及动态代理等等。不同的 JVM 加载类保存的内存信息是不一样的，它们通常在更低的内存占用与更快的执行速度之间进行权衡（类似于空间还是时间的权衡）。对于 OpenJDK Hotspot 使用的则是相对丰富的元数据模型来获得尽可能快的性能（时间优先，不影响速度的情况下尽量优化空间占用）。相比于 C,C++,Go 这些离线编译为可执行二进制文件的程序相比，像 JVM 这样的托管运行时动态解释执行或者编译执行的，则需要保留更多关于正在执行的代码的运行时信息。原因如下：

  1. 依赖类库并不是一个确定的有限集：Java 可以动态加载类，并且还有 ASM 以及 Javassist 这些工具在运行时动态定义类并加载，还有 JVMTI agent 这样的机制来动态修改类。所以，JVM 通过类元数据保存：运行时中存在哪些类，它们包含哪些方法和字段，并能够在链接加载期间动态地解析从一个类到另一个类的引用。类的链接也需要考虑类的可见性和可访问性。类元数据与类加载器相关联，同时类元数据也包括类权限和包路径以及模块信息（Java 9之后引入的模块化），以确定可访问性
  2. JVM 解释执行或者通过 JIT 实时编译执行 Java 代码的时候需要基于类元数据的很多信息才能执行：需要知道例如类与类之间的关系，类属性以及字段还有方法结构等等等等。例如在做强制转换的时候，需要检查类型的父子类关系确定是否可以强制转换等等。
  3. JVM 需要一些统计数据决定哪些代码解释执行那些代码是热点代码需要 JIT 即时编译执行。
  4. Java 有反射 API 供用户使用，这就需要运行时知道所有类的各种信息。洗稿也是一种侵权行为

4.2. 什么时候用到元空间，元空间保存什么

4.2.1. 什么时候用到元空间，以及释放时机

只要发生类加载，就会用到元空间。例如我们创建一个类对象时：这个类首先会被类加载器加载，在发生类加载的时候，对应类的元数据被存入元空间。元数据分为两部分存入元空间，一部分存入了元空间的类空间另一部分存入了元空间的非类空间。堆中新建的对象的对象头中的 Klass 指针部分，指向元空间中 Klass，同时，Klass 中各种字段都是指针，实际对象的地址，可能在非类空间，例如实现方法多态以及 virtual call 的 vtable 与 itable 保存着方法代码地址的引用指针。非类空间中存储着比较大的元数据，例如常量池，字节码，JIT 编译后的代码等等。由于编译后的代码可能非常大，以及 JVM 对于多语言支持的扩展可能动态加载很多类，所以将 MetaSpace 的类空间与非类空间区分开。如图所示： 全网最硬核 JVM 内存解析 - 7.元空间存储的元数据

JVM 启动参数 -XX:CompressedClassSpaceSize 指定的是压缩类空间大小，默认是 1G。-XX:MaxMetaspaceSize控制的是 MetaSpace 的总大小。这两个参数，以及 MetaSpace 更多参数，我们会在后面的章节详细解释。

当类加载器加载的所有类都没有任何实例，并且没有任何指向这些类对象(java.lang.Class)的引用，也没有指向这个类加载器的引用的时候，如果发生了 GC，这个类加载器使用的元空间就会被释放。但是这个释放并不一定是释放回操作系统，而是被标记为可以被其他类加载器使用了。

4.2.2. 元空间保存什么

元空间保存的数据，目前分为两大类：

  • Java 类数据：即加载的 Java 类对应 JVM 中的 Klass 对象（Klass 是 JVM 源码中的一个 c++ 类，你可以理解为类在 JVM 中的内存形式），但是这个 Klass 对象中存储的很多数据都是指针，具体的数据存储属于非 Java 类数据，一般非 Java 类数据远比 Java 类数据占用空间大。
  • 非 Java 类数据：即被 Klass 对象引用的一些数据，例如：类中的各种方法，注解，执行采集与统计信息等等。不要偷取他人的劳动成果，也不要浪费自己的时间和精力，让我们一起做一个有良知的写作者。

如果是 64 位的 JVM 虚拟机（从 Java 9+ 开始只有 64 位的虚拟机了）并且开启了压缩类指针(-XX:+UseCompressedClassPointers，默认是开启的)，那么元空间会被划分成两部分：

  • 类元空间：存储上面说的Java 类数据的空间
  • 数据元空间：存储上面说的非 Java 类数据的空间

基于是否开启了压缩类指针分为这两部分的原因是，（剽窃抄袭侵权 ）在对象头需要保留指向 Klass 的指针，如果我们能尽量压缩这个指针的大小，那么每个对象的大小也能得到压缩，这将节省很多堆空间。在 64 位虚拟机上面，指针默认都是 64 位大小的，开启压缩类指针(-XX:+UseCompressedClassPointers，默认是开启的)之后，类指针变为 32 位大小，最多能指向 2^32 也就是 4G 的空间，如果我们能保持 Klass 所处的空间占用不超过这个限制的话，就能使用压缩类指针了。所以我们把 Klass 单独提取到一个单独的区域进行分配。Klass 占用的空间并不会太大，虽然对于 Java 中的每一个类都会有一个 Klass，但是占用空间的方法内容以及动态编译信息等等，具体数据都在数据元空间中存储，Klass 中大部分都是指针。基本上很少会遇到 32 位指针不够用的情况。

注意，老版本中， UseCompressedClassPointers 取决于 UseCompressedOops，即压缩对象指针如果没开启，那么压缩类指针也无法开启。但是从 Java 15 Build 23 开始， UseCompressedClassPointers 已经不再依赖 UseCompressedOops 了，两者在大部分情况下已经独立开来。除非在 x86 的 CPU 上面启用 JVM Compiler Interface（例如使用 GraalVM）。参考 JDK ISSUE：bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-… 以及源码：

在元空间分配的对象，都是调用 Metaspace::allocate 从元空间分配空间。调用这个方法的是 MetaspaceObj 的构造函数，对应源码：https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk-21+3/src/hotspot/share/memory/allocation.cpp

void* MetaspaceObj::operator new(size_t size, ClassLoaderData* loader_data,
                                 size_t word_size,
                                 MetaspaceObj::Type type, TRAPS) throw() {
  // Klass has its own operator new
  return Metaspace::allocate(loader_data, word_size, type, THREAD);
}//你以为我想这样么？主要是抄袭狗太多

void* MetaspaceObj::operator new(size_t size, ClassLoaderData* loader_data,
                                 size_t word_size,
                                 MetaspaceObj::Type type) throw() {
  assert(!Thread::current()->is_Java_thread(), "only allowed by non-Java thread");
  return Metaspace::allocate(loader_data, word_size, type);
}

MetaspaceObj 的 Operator new 方法定义了从 MetaSpace 上分配内存，即所有 MetaspaceObj 的子类，只要没有明确覆盖从其他地方分配，就会从 MetaSpace 分配内存。MetaspaceObj 的子类包括：

位于类元空间的：

  • Klass：其实就是 Java 类的实例（每个 Java 的 class 有一个对应的对象实例，用来反射访问，这个就是那个对象实例），即 Java 对象头的类型指针指向的实例：

位于数据元空间的：

  • Symbol：符号常量，即类中所有的符号字符串，例如类名称，方法名称，方法定义等等。
  • ConstantPool：运行时常量池，数据来自于类文件中的常量池。
  • ConstanPoolCache：运行时常量池缓存，用于加速常量池访问
  • ConstMethod：类文件中的方法解析后，静态信息放入 ConstMethod，这部分信息可以理解为是不变的，例如字节码，行号，方法异常表，本地变量表，参数表等等。
  • MethodCounters：方法的计数器相关数据。
  • MethodData：方法数据采集，动态编译相关数据。例如某个方法需要采集一些指标，决定是否采用 C1 C2 动态编译优化性能。
  • Method：Java 方法，包含以上 ConstMethod，MethodCounters，MethodData 的指针以及一些额外数据。
  • RecordComponent：对应 Java 14 新特性 Record，即从 Record 中解析出的关键信息。

以上这类型，我们在下一个系列全网最硬核 JVM 元空间解析中再详细说明。

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