JVM-06-方法区

栈、堆、方法区的交互关系

方法区的理解

方法区看做是一块独立于Java堆的内存空间，方法区还有一个别名叫Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分开

• 方法区和堆一样，是各个线程共享的内存 区域
• 方法区在JVM启动时被创建，并且他的实际物理内存空间中和Java堆区一样 都可以是不连续的
• 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
• 方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果定义了太多的类，导致方法区溢出，虚拟机同样会抛出OOM异常，
  • 比如加载大量的第三方jar包，tomcat部署的工程过多（30-50个），大量动态的生成反射类
• 关闭JVM就会释放这个区域内存
• 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，例如在BEA JRockit/IBM J9中不存在永久代的概念
  • 现在来看，当年使用永久代不是一个好的想法，这导致 java程序更容易OOM（超出-XX:MaxPermSize 永久代大小）
• 到了JDK8，完全废弃了永久代的概念，改用和JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（MetaSpace）来代替
• 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，而是使用本地内存
• 元空间 、永久代二者并不只是名字变了，内部结构也调整了
• 根据《Java虚拟机规定》，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

• 方法区的大小可以是不固定的，jvm可以根据程序需要动态调整
• JDK7之前，
  • 通过-XX:PermSize来设置初始永久代大小，默认20.75M
  • 通过-XX:MaxPermSize来设置最大永久代大小，32bit机器默认64M，64bit机器默认82M
• JDK8之后
  • 元数据区大小可以使用参数-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetespaceSize指定，替代上述原有的两个参数
  • 默认值依赖于平台：windows下-XX:MetaspaceSize是21M，-XX:MaxMetespaceSize=-1，即没有限制
  • 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java.lang.OutOfMemoty:Metaspace
  • -XX:MetaspaceSize：设置初始的元空间大小，对于一个64位的服务器JVM来说，其默认的值为21M，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，新的高水位线取决于GC后释放了多少元空间，如果释放空间过多，则适当降低该值
  • 如果初始化的高水位线过低，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会看到Full GC多次调用，为避免频繁的GC，建议将-XX:MetaspaceSize设置为较高值
• 如何解决这些OOM
  • 要解决OOM异常或heap space异常，一般手段是首先通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必要的，也就是先分清楚是出现了内存泄漏还是内存溢出
  • 如果是内存泄漏，可以通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄漏 对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收他们，掌握了泄漏对象的类型信息，GC Roots引用链的信息，就可以比较准确的定位出泄漏代码的位置
  • 如果不存在内存泄漏，换句话说就是内存中的对象确实都还活着，那就应该检查虚拟机内存参数（-Xms和-Xmx），与物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象声明周期过长，持有状态时间过长的情况，尝试减少运行期的内存消耗

方法区的内部结构

方法区存储什么

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

• 类型信息：
  • 对每个加载的类型（类Class、接口、枚举、注解）JVM必须在方法区存储以下类型信息
    • 这个类型的完整有效名称（全名=包名.类名）
    • 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）
    • 这个类型的修饰符（public、abstract、final等）
    • 这个类型直接接口的一个有序列表
• 域（Field、属性）信息
  • 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
  • 域的相关信息包括：域名称、域类型、域修饰符（public 等）
• 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
  • 方法名称
  • 方法的返回类型
  • 方法参数的数量和类型（按顺序）
  • 方法的修饰符
  • 方法的字节码、操作数栈、局部变量表及大小（abstract和native方法除外）
  • 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

non-final的类变量

• 静态变量和类关联在一起，随着类的加载而加载，他们成为类数据在逻辑上的一部分
• 类变量被所有实例共享，技术没有类实例时也可以访问

• 被声明为final的类变量的处理方法则不同，每个全局常量在编译的时候就会分配了

  

运行时常量池VS常量池

• 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，需要理解清除ClassFile，因为加载类的信息都在方法区

• 要弄清楚方法区的运行时常量池，需要理解清楚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，还包含一项信息就是常量池表，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？

  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储到字节码里，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

• 常量池中的信息

  • 几种在常量池内存储的数据类型包括
    • 数量值
    • 字符串值
    • 类引用
    • 字段引用
    • 方法引用

  

  • 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

• 运行时常量池

  • 运行时常量池是方法区的一部分
  • 常量池表是class文件的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，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
  • 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
  • JVM为每个已加载的类型都维护一个常量池，池中的数据项向数组项一样，是通过索引访问的
  • 运行时常量池包含多种不同的常量，包括编译期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，这里换为真实地址
    • 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
  • 运行时常量池类似于传统编程语言中的符号表，但是它所包含的数据却比符号表要更加丰富一些
  • 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会抛出OOM

方法区使用举例

方法区的演进细节

首先：只有Hotspot才有永久代

Hotspot中方法区的 变化：

永久代为什么要用元空间来替换：

• 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，容易产生永久代的OOM，而元空间和永久代之间最大的区别在于元空间不在虚拟机中，而是使用本地内存，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制
• 对永久代调优是很困难的

StringTable为什么要调整

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Full

GC是老年代不足，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字符串被创建，回收细考虑低、导致永久带内存不足，放到堆里，能及时回收内存

方法区的垃圾回收

在《Java虚拟机规范》中，对方法区的约束是非常宽松的，可以不要求虚拟机在方法区中实现垃圾回收，事实上也的确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中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以令人满意，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

方法区的垃圾回收主要在两方面内容：常量池中废弃的常量和不再使用的类型

• 常量池
  • 方法区的常量池中主要存放两大类常量：字面量和符号引用，
    • 符号引用包括：类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符
  • Hotspot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堆中的对象非常相似
• 类型回收：
  • 判定一个类型是否不再使用必须同时满足以下条件
    • 该类的所有实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类及其任何派生子类的实例
    • 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，否则通常是很难达到的
    • 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”，而不是和对象一样，没有引用就必然被回收，关于是否要对类型进行回收。Hotspot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
  • 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，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 过大压力

总结