jvm之运行时数据区-方法区

Posted 2021-04-17 菜鸟JAVA后端

时光静好

/  回顾  /

运行时数据区：

内存是非常重要的系统资源，是CPU与硬盘之间的桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行。JVM的内存布局规定了java应用程序在运行时的内存申请，分配，管理策略，保存了程序高效稳定的运行。不同的JVM对于内存的划分和管理存在着差异，《虚拟机规范》中规定了jvm的内存布局，如下图。

回顾：

上节讲解了运行时数据区线程独占区域，这里谈谈线程私有部分方法区的有关知识，敬请期待！

/  方法区  /

方法区的定义：

《Java虚拟机规范》中指出方法区与java堆一样是各个线程共享的内存区域，逻辑上是java堆空间的一部分，但对于HotSpot jvm确实独立于堆而存在的内存区域（采用 本地内存 作为存储空间），其目的就是要与堆进行分离。

方法区的特点：

• 方法区与java堆一样，是各个线程的共享区域。

• 方法区在jvm创建的时候创建，且实际的物理内存是可以不连续的。

• 方法区与堆一样，大小可以选择 固定或者可扩展

• 方法区的大小决定了系统能够保存多少类，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错误 java.lang.OutOfMemoryError PermGen 或者java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace.

方法区的演进过程：

• jdk1.7及之前，方法区称为永久代。

• jdk1.8及以后，方法区称为元空间。

• 元空间和永久代的最大区别？

  元空间不在虚拟机设置的内存中，而只受本地内存的限制。

方法区大小设置与OOM:

方法 区的大小不必是固定，jvm可以根据应用动态的调整。

• jdk7及以前

  （1).通过-XX:PermSize来设置永久代初始的大小，默认为20.75M

    (2).通过-XX:MaxPermSize来设永久代最大可分配空间

   (3).当jvm加载的类信息超过这个值，会报OutOfMemoryError：PermGenspace异常

• jdk8及以后

  （1）.通过-XX:MetaspaceSize来设置元空间的初始大小

  （2）.通过-XX:MaxMetaspaceSize来设置元空间的最大值

  （3）.会报java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace异常

  
  

方法区存储什么内容？

《深入理解Java虚拟机》对方法区的描述，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息，常量，静态变量，即时编译器编译的代码缓存等。

• 类型信息：主要包含（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）.类的全限定名 （包名 + 类名)

  （2）.类的直接父类

  （3）.这个类型的修饰符（private，public，abstract，final）
  （4）.这个类型的直接接口的一个有序列表（一个类可以实现多个接口）

• 成员变量信息：jvm方法区也会保存所有类型的成员变量信息（简称域信息）及成员变量的声明顺序，包括，成员变量名称，成员变量类型，修饰符（public，private，protected，static，final，volatile，transient的某个子集）

• 方法信息：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）.方法的返回值类型

  （3）.方法参数信息（数量和类型）

    (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）

• non-final的类变量：静态的类变量，随着类的加载而加载

• 全局变量：使用static final进行修饰，在编译时就会分配内存

• 运行时常量池

  
  

常量池 vs 运行时常量池：

• 两者的区别：常量池是放在字节码文件中，而运行时常量池是放在方法区中

• 一个有效的字节文件除了包含类的版本信息，字段，方法以及接口等描述信息，还包含常量池（contant pool table）,包含各种字面量和对类型，成员变量，方法的符号引用。

• 为什么需要常量池？

  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。r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"); }}

虽然上述代码只有194字节，但是里面却使用了String、System、PrintStream及Object等结构。这里的代码量其实很少了，如果代码多的话，引用的结构将会更多，这里就需要用到常量池了。

• 常量池存放什么？

  常量池主要用来存放两大类常量：字面量（如文本字符串，声明的final的常量）和符号引用量(类和接口的全限定名，字段名称和描述符、方法名和描述符)

  

• 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文件的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，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。

  （3）.运行时常量池，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。

  （6）.运行时常量池，相对于Class文件常量池的另一重要特征是：具备动态性。

  （7）.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能提供的最大值，则JVM会抛outofMemoryError异常。

  
  

方法区的演进变化：

• 针对与J9,JRockit不存在永久代的概念

• HotSpot中方法区的变化

jdk1.6之前	有永久代，且静态变量放在永久代上
jdk1.7	有永久代，字符串常量池、静态变量移除，保存在堆中
jdk1.8及以后	无永久代，类型信息，字段，方法，常量（final）保存在本地内存的元空间上，但字符串常量、静态变量仍在堆上。

• jdk1.6

• 
  

  jdk1.7

  
  

• 
  

  jdk1.8

  
  

元空间为什么会取代永久代：

• 第一个原因是：为永久代设置空间大小是很难确定的

  在某些场景下，如果动态加载类过多，容易产生Perm区的oom。比如某个实际Web工 程中，因为功能点比较多，在运行过程中，要不断动态加载很多类，经常出现致命错误。“Exception in thread‘dubbo client x.x connector'java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space”

  而元空间和永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。

• 对永久代进行调优是很困难的（主要是降低Full GC）

  《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机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JDK11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(包括类的所有实例被回收，且加载该类的类加载器也要求被回收等)。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。

  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在使用的类型。

为什么字符串常量池放在堆里呢?

• jdk7中将StringTable放到了堆空间中。因为永久代的回收效率很低，在full gc的时候才会触发。而ful1gc是老年代的空间不足、永久代不足时才会触发。这就导致stringTable回收效率不高。而我们开发中会有大量的字符串被创建，回收效率低，导致永久代内存不足。放到堆里，能及时回收内存。

方法区的垃圾回收：

• 上面提到方法区是存在垃圾回收行为的，只是不过因为方法区的垃圾回收的效果是难以让人满意的（当发生full gc时，会触发垃圾回收的，当回收前和回收后的区别并不是很明显），因此《Java虚拟机规范》对方法区的约束是比较宽松的，提到过可以不要求虚拟机在方法区中实现垃圾收集。

• 《Java虚拟机规范》并没有规定方法区一定要进行垃圾回收，但对这个区域的垃圾回收又是必要的。

• 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。

  （1).对字面量的回收比较简单，常量池中的常量没有被任何地方引用，就可以被回收。

  (2).对类型的回收比较复杂，第一步：需要判定该类型是否被废弃 有以下三个条件：1.该类的所有实例都被回收 2.该类的类加载器被回收 3.该类对应java.lang.Class对象没有在任何地方进行引用，即无法通过反射进行获取。

  (3).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。关于是否要对类型进行回收，HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用-verbose:class 以及 -XX：+TraceClass-Loading、-XX：+TraceClassUnLoading查看类加载和卸载信息。

  （4）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。
  

往期推荐