JVM中的方法区

Posted 2021-05-21 杀手不太冷！

文章目录

• JVM中的方法区
• • 运行时数据区结构图
  • 栈堆方法区的交互关系
  • 方法区在哪里？
  • 方法区的基本理解
  • Hotspot中方法区的演进
  • 设置方法区大小与OOM
  • • jdk7及以前：
    • jdk8及以后：
  • 方法区的内部结构
  • .class字节码文件中常量池
  • 方法区中的运行时常量池
  • 方法区在jdk6,jdk7,jdk8中的演进细节
  • 永久代为什么要被元空间替换？
  • StringTable字符串常量池为什么要从永久代调整到堆中？
  • 静态变量存在哪？
  • 方法区的垃圾收集

JVM中的方法区

运行时数据区结构图

运行时数据区结构图，如下图：

从线程共享与否的角度来看，如下图：

栈堆方法区的交互关系

如下图：

方法区在哪里？

《Java虚拟机规范》中明确说明：“尽管所有的方法区在逻辑上是属于堆的一部分，但一些简单的实现可能不会选择去进行垃圾收集或者进行压缩。”但对于HotSpotJVM而言，方法区还有一个别名叫做Non-Heap(非堆)，目的就是要和堆分开。

所以，方法区看做是一块独立于Java堆的内存空间。

方法区的基本理解

1.方法区(Method Area)与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。

2.方法区在JVM启动的时候被创建，并且它的实际的物理内存空间中与Java堆区一样都是可以是不连续的。

3.方法区的大小，跟堆空间一样，可以选择固定大小或者可扩展。

4.方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出错误：java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space或者java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace，比如加载了大量的第三方的jar包或者tomcat部署的工程过多，都可能导致方法区溢出，出现java.lang.OutOfMemoryError错误。

5.关闭JVM就会释放这个区域的内存

Hotspot中方法区的演进

1.在jdk7及以前，习惯上把方法区，称为永久代。jdk8开始，使用元空间取代了永久代。永久代和元空间都是方法区的实现。

2.本质上，方法区和永久代并不等价。仅是对hotspot而言的。《Java虚拟机规范》对如何实现方法区，不做统一要求。例如:BEA JRockit/IBM J9不存在永久代的概念。现在来看，当年使用永久代，不是好的idea。导致Java程序更容易OOM(超过-XX:MaxPermSize上限)

3.而到了JDK 8,终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockitm，J9一样在本地内存中实现的元空间(Metaspace)来替代。

4.元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代最大的区别在于:元空间不在虚拟机设置的内存中，而是使用的本地内存。

5.永久代，元空间二者并不只是名字变了，内部结构也调整了。

6.根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OOM异常。

设置方法区大小与OOM

方法区的大小不必是固定的，jvm可以根据应用的需要动态调整。

jdk7及以前：

1.通过-XX:PermSize来设置永久代初始分配空间。默认值是20.75M

2.-XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配空间。32位机器默认是64M，64位机器默认是82M

3.当JVM架子啊的类信息容量超过了这个值，会报异常OutOfMemoryError:PermGen space异常。

如何查看方法区的大小？如下图：

jdk8及以后：

1.元数据区大小可以使用参数-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize指定，替代上述原有的两个参数,如下图：

上图可以设置方法区的大小为100m，然后去cmd命令行窗口中查看方法区内存的大小，如下图：

2.默认值依赖于平台。windows下，-XX:MetaspaceSize是21M，-XX:MaxMetaspaceSize的值是-1，即没有限制。

上述图片中21807104/1024/1024刚好约等于21M

3.与永久代不同，如果不指定大小，默认情况下，虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。如果元数据区发生溢出，虚拟机一样会抛出异常OutOfMemoryError:Metaspace

4.-XX:MetaspaceSize:设置初始的元空间大小。对于一个64位的服务器端JVM来说，其默认的-XX:MetaspaceSize值为21MB。这就是初始的高水位线，一旦触及这个水位线，Full GC将会被触发并卸载没用的类(即这些类对应的类加载器不再存活)，然后这个高水位线将会重置。新的高水位线的值取决于GC后释放了多少元空间。如果释放的空间不足，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。如果释放空间过多，则适当降低该值。

5.如果初始化的高水位线设置过低，上述高水位线调整情况会发生很多次。通过垃圾回收器的日志可以观察到Full GC多次调用。为了避免频繁地GC，建议将-XX:MetaspaceSize设置为一个相对较高的值。

方法区的内部结构

《深入理解Java虚拟机》书中对方法区(Method Area)存储内容描述如下：

它用于存储已被虚拟机加载的类型信息，常量，静态变量，及时编译器编译后的代码缓存等。

类型信息：

对每个加载的类型(类class,接口interface,枚举enum,注解annotation),JVM必须在方法区中存储以下类型信息:

1.这个类型的完整有效名称(全名=包名.类名)

2.这个类型直接父类的完整有效名(对于interface或是java.lang.Object,都没有父类)

3.这个类型的修饰符(public,abstract,final的某个子集)

4.这个类型直接接口的一个有序列表

域(Field)信息:

1.JVM必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序。

2.域的相关信息包括:域名城，域类型，域修饰符(public,private,protected,static,final,volatile,transient的某个子集)

方法(Method)信息:

JVM必须保存所有方法的以下信息，同域信息一样包括声明顺序:

1.方法名称

2.方法的返回类型(或void)

3.方法参数的数量和类型(按顺序)

4.方法的修饰符（public,private,protected,static,final,synchronized,native,abstract的一个子集）

5.方法的字节码(bytecodes),操作数栈，局部变量表及大小(abstract和native方法除外)

6.异常表(abstract和native方法除外)，每个异常处理的开始位置，结束位置，代码处理在程序计数器中的偏移地址，被捕获的异常类的常量池索引

在idea中进行反编译查看方法区的结构

首先先把类重新编译，如下图：

然后在终端中进行反编译，如下图：

反编译后的方法区的类型信息，如下图：

反编译后的方法区的域(Filed)的信息，如下图：

反编译后的方法区的方法信息，如下图：

注意被声明为final的类变量在编译的时候就会被分配值，如下图：

.class字节码文件中常量池

首先常量池的位置是在字节码文件中的，与运行时常量池的位置是不同的，因为运行时常量池的位置是在方法区的，这一点一定要分清除。

方法区，内部包含了运行时常量池。

字节码文件，内部包含了常量池。

要弄清楚方法区的运行时常量池，需要理解清除ClassFile中的常量池。

一个有效的字节码文件中除了包含类的版本信息，字段，方法以及接口等描述信息外，还包含一项信息那就是常量池表(Constant Pool Table),包括各种字面量和对类型，域和方法的符号引用。

为什么需要常量池？

因为如果把所有的东西都存放到字节码文件中，字节码文件会很大，所以为了解决这个问题，就把类名，方法名，参数类型等信息都存放到了常量池里面，然后在字节码里面包含了指向这个常量池里面的引用，字节码文件可以使用常量池里的数据。

常量池，可以看做是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名，方法名，参数类型，字面量等类型。

一个java源文件中的类，接口，编译后产生一个字节码文件。而Java中的字节码需要数据支持，通常这种数据会很大以至于不能直接存到字节码里，换另一种方式，可以存到常量池，这个字节码包含了指向常量池的引用。在动态链接的时候会用到运行时常量池。

比如：如下的代码:

public class SimpleClass{
    public void sayHello(){
        System.out.println("hello");
    }
}

虽然只有194字节，但是里面却使用了String,System,PrintStream及Object等结构。这里代码量其实已经很小了。如果代码多，引用到的结构会更多！这里就需要常量池了！

常量池中有什么？

几种在常量池内存存储的数据类型包括:

1.数量值

2.字符串值

3.类引用

4.字段引用

5.方法引用

方法区中的运行时常量池

1.运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。

2.常量池表（Constant Pool Table）是.class字节码文件中的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用（用符号引用代表类名，方法名，参数类型，用符号引用可以减少字节码文件的大小），这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中（加载到运行时常量池的时候，会从符号引用转变成真实地址引用，就是比如符号引用是"java/lang/System",那么在运行时常量池中会直接引用此符号代表的类型的真实地址，这样的话当用到某个类的时候，就可以通过它的真实地址找到这个类型了）。

3…class字节码文件中的常量池，在加载类和接口到虚拟机后，就会创建对应的运行时常量池。

4.JVM为每个已加载的类型（类或接口）都维护一个常量池。池中的数据项像数组项一样，是通过索引访问的。

5.运行时常量池中包含多种不同的常量，包括编译器就已经明确的数值字面量，也包括到运行期解析后才能够获得的方法或者字段引用。此时不再是常量池中的符号地址了，这里换位真实地址（你比如说符号引用是"java/lang/System",那么在动态链接之后，就会去找符号"java/lang/System"所代表的真实的类的地址了）。运行时常量池，相对于.class字节码文件常量池的另一重要的特征是：具备动态性。

6.当创建类或接口的运行时常量池时，如果构造运行时常量池所需的内存空间超过了方法区所提供的最大值，则JVM会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区在jdk6,jdk7,jdk8中的演进细节

1.首先明确：只有HotSpot JVM中才有永久代。BEA JRockit,IBM J9等来说，是不存在永久代的概念的。原则上如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受《Java虚拟机规范》管束，并不要求统一。

2.Hotspot中方法区的变化：

jdk1.6及之前：有永久代(permanent generation),静态变量存放在永久代上

jdk1.7:有永久代，但已经逐步“去永久代”，字符串常量池，静态变量移除，保存在堆中

jdk1.8及之后：无永久代，类型信息，字段，方法，常量保存在本地内存的元空间，但字符串常量池，静态变量仍在堆上

永久代为什么要被元空间替换？

1.随着Java8的到来，HotSpot VM中再也见不到永久代了。但是这并不意味着类的元数据信息也消失了。这些数据被移到了一个与堆不相连的本地内存区域，这个区域叫做元空间(Metaspace)

2.由于类的元数据分配在本地内存中，元空间的最大可分配空间就是系统可用内存空间。

3.这项改动很有必要，原因有：

1）为永久代设置空间大小很难确定（分配小了容易引发full GC,而full GC是特别影响效率的，我们一般会避免full GC;分配大了容易浪费空间），所以在一些情况下，如果加载的类过多，就容易产生OOM即OutOfMemoryError:PermGenspace异常。但是元空间就不同了，元空间的空间大小比较容易确定，它的空间大小仅受本地内存限制，元空间的最大可分配空间就是系统可用的内存空间。元空间并不在虚拟机中，而是使用了本地内存，在本地内存中。

2）对永久代进行调优是很困难的。

StringTable字符串常量池为什么要从永久代调整到堆中？

jdk7中将StringTable字符串常量池从之前放在永久代中改到了放在堆中，是因为永久代的垃圾回收效率很低，只有在full gc的时候，才会对永久代进行垃圾回收，但是呢，我们在开发中一般都会有大量的字符串被创建，如果这些被创建的字符串得不到及时的垃圾回收，那就会一直堆积在永久代中，导致永久代的内存不足。所以，就把StringTable字符串常量池从永久代放到了堆中，这样可以保证开发中创建的字符串能够及时被垃圾回收。

静态变量存在哪？

JDK 7及以后版本的HotSpot虚拟机选择把静态变量与类型在Java语言一端的映射Class对象存放在一起，存储与Java堆之中。

方法区的垃圾收集

方法区的垃圾收集主要回收两部分内容：常量池中废弃的常量和不再使用的类型。

有些人认为方法区(如HotSpot虚拟机中的元空间或者永久代)是没有垃圾收集行为的，其实不然。《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，提到过可以不要求虚拟就在方法区中实现垃圾收集。事实上也确实有未实现或未能完整实现方法区类型卸载的收集器存在(如JDK 11时期的ZGC收集器就不支持类卸载)。

一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻。但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。以前Sun公司的Bug列表中，曾出现过的若干个严重的Bug就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

先来说说方法区内常量池之中主要存放的两大类常量：字面量和符号引用。字面量比较接近Java语言层次的常量概念，如文本字符串，被声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括下面三类常量：

1.类和接口的权限定名

2.字段的名称和描述符

3.方法的名称和描述符

HotSpot虚拟机对常量池的回收策略是很明确的，只要常量池中的常量没有被任何地方引用，就可以被回收。

回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。

判定一个常量是否“废弃”还是相对简单，而要判定一个类型是否属于“不再被使用的类”的条件就比较苛刻了。需要同时满足下面三个条件：

1.该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类及其任何派生子类的实例。

2.加载该类的类加载器已经被回收，这个条件除非是经过精心设计的可替换类加载器的场景，如OSGI，JSP的重加载等，否则通常是很难达成的。

3.该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

Java虚拟机被允许对满足上述三个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是"被允许"，而并不是和对象一样，没有引用了就必然会回收。

在大量使用反射，动态代理，CGLib等字节码框架，动态生成JSP以及OSGI这类频繁自定义类加载器的场景中，通常都需要Java虚拟机具备类型卸载的能力，以保证不会对方法区造成过大的内存压力。