JVM的运行时数据区之--方法区

1、概述

首先我们先来回顾一下JVM的运行时数据区的分类图

那么方法区和我们前面的堆、栈之间有没有什么联系呢？

方法区的理解

• 方法区和java堆一样，是各个线程共享的内存区域
• 方法区在JVM启动时，就会被创建，并且它的实际的物理内存空间和java的堆区一样，都是可以不连续的
• 方法区的大小，跟堆空间一样，都是可选择固定或者扩展的
• 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，导致方法去溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出的错误，java.lang.OutOfMemoryError.PermGen space或者java.lang,OutOfMemoryError:Metaspace，比如：
  • 加载大量的第三方jar包
  • Tomcat部署的工程过多
  • 大量的动态生成反射类
• 关闭JVM就会自动释放这个空间的内存

我们在这里使用jvisualvm查看加载类的个数：下面是一个demo演示

public class MethodAreaDemo {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        System.out.println("start...");
        try {
    
    
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("end...");
    }
}

可以看到一个简单的方法就装入1616个类

2、HotSpot虚拟机中方法区的演进

• 在jdk7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，
• 本质上，方法区和元空间不等价，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中不存在永久代的概念。
• 现在看来，当年使用永久代，不是好的idea，导致java程序很容易出现OOM(超过-XX:MaxPermSize上限)。

方法区在jdk7以及jdk8的落地实现

在jdk8中，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替

• 元空间的永久代类似，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：元空间不再虚拟机设置的内存中，而是使用本地内存（PC内存）
• 永久代、元空间并不是单纯的名字改变，内部结构也调整了
• 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.。

以下代码在JDK8环境下会报 Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: Compressed class space 错误

/**
 * jdk6/7中：
 * -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m
 *
 * jdk8中：
 * -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
 *
 */
public class OOMTest extends ClassLoader {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        int j = 0;
        try {
    
    
            OOMTest test = new OOMTest();
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    
    
                //创建ClassWriter对象，用于生成类的二进制字节码
                ClassWriter classWriter = new ClassWriter(0);
                //指明版本号，修饰符，类名，包名，父类，接口
                classWriter.visit(Opcodes.V1_6, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);
                //返回byte[]
                byte[] code = classWriter.toByteArray();
                //类的加载
                test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length);//Class对象
                j++;
            }
        } finally {
    
    
            System.out.println(j);
        }
    }
}

3、方法区的内部结构

在《深入理解java虚拟机》书中对方法区存储空间内容描述如下：它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等

3、1 类型信息

对于每个加载的类型（ 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称（接口和object类 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

3、2 域信息

• 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， private， protected， static， final， volatile， transient的某个子集）

3、3 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
• 方法的返回值类型（或void）
• 方法参数的数量和类型（按顺序）
• 方法的修饰符 （public， private， protected， static， final， synchronized， native ， abstract的一个子集）。
• 方法的字节码（bytecodes）、操作数栈、局部变量表的及大小（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

3、4 non-final的类变量(非声明为final的static静态变量)

• 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
• 类变量被类的所有实例所共享，即使没有实例你可以访问他
  以下代码，不会报空指针的异常：

public class MethodAreaTest {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        Order order = null;
        order.hello();
        System.out.println(order.count);
    }
}

class Order {
    
    
    public static int count = 1;
    public static final int number = 2;


    public static void hello() {
    
    
        System.out.println("hello!");
    }
}

3、5 全局变量

被声明为final的类变量的处理方法法则不同，每个全局常量在编译的时候就被分配了
代码分析
Order.class字节码文件，右键Open in Teminal打开控制台，使用javap -v -p Order.class>test.txt将字节码文件反编译并输出为txt文件，可以看到被声明为static final的常量number在编译的时候就已经被赋值了， 这不同于没有final修饰的static变量count是在类加载的准备阶段才被赋值。（< clinit>阶段）

public static int count;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC

  public static final int number;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
    ConstantValue: int 2

复习

• 1.clinit()即“class or interface initialization method”，注意他并不是指构造器init()
• 2.此方法不需要定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。
• 3.如果没有静态变量，那么字节码文件中就不会有clinit方法

4、 常量池

• 一个有效的字节码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外，还包含一项信息就是常量池表（Constant Pool Table），包含各种字面量和对类型区域和方法的符号引用
• 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，以至于不能直接存在字节码中，换另一种方式,可以存到常量池；而这个字节码包含了指向常量池的引用，在动态连接的时候就会用到运行时常量池
• 比如以下代码，虽然只有194字节，但里面实际上使用了String、System、Pintstream及Object等结构，这里的代码已经很小了，如果代码多，引用到的代码会更多

Public class Simpleclass {
    
    
public void sayhelloo() {
    
    
    System.out.Println (hello) }
}

小结：字节码中的长流昂池结构，可以看成一张表，虚拟机指令根据这张表找到需要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息

5、 运行时常量池

• 运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分
• 常量池表（Constant Pool Table）是Class文件的一部分，用于存放编译器声明的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后缓存到方法区的运行时常量池
• 运行时常量池，在加载类和接口到虚拟机后，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
• 运行时常量池中包含了多种不同的常量，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获得的方法或字段引用，此时不再是常量池中的富豪地址了，这里换位真实地址
  • 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
    • String.intern()
• 运行时常量池类似于传统编程语言中的符号表（Symbol Table），但是他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要的内存空间超过了方法区能提供的最大值，则JVM会抛OutOfMenmory异常

6、方法区的演进细节

6、1 演变细节

首先明确，是有HotSpot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
Hotspot中 方法区的变化

• JDK1，6以及以前的版本：有永久代（permanent generation），静态变量存放在永久代 上
• JDK1.7：有永久代，但是已经逐步开始“去永久代”，字符串常量池、静态变量移除，保存在堆中
• JDK1.8之后：无永久代，类型信息、字、方法、常量保存在本地内存的元空间，但是字符串常量池、静态变量仍留在堆空间中。

注意：

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、静态变量仍留在堆空间。

除此之外，元空间（或称方法区），不再使用虚拟机内存，而是使用本地内存。

6、2 联想：永久代为什么要被元空间替代？

• 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 ）
• 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的内存空间。
• 这个改动是很有必要的，原因有：
  • 1、为永久代设置的空间大小是很难确定的，在某些场景下，如果动态加载的类很多，容易产生Perm区（永久代）的OOM，比如某个实际的 Web工程，因为功能点比较多，在运行时，就要不斷动态加载很多类，经常出现致命错误。 “Exception in thread’ dubbo client x.x connector’java.lang.OutOfMemoryError： PermGenspace” 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。
  • 2、对于永久代进行调优是很困难的

6、3 StringTable 为什么要调整

• JDK7中将StringTable放在了堆空间中，这个决定很正确
• 因为永久代的回收效率是很低的，在Full GC的时候才会触发，而Full GC是老年代的空间不足、永久代不足的时候才会触发的，这就导致了String Table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，放到堆中，能够及时回收内存

7、静态变量、成员变量、局部变量的存放位置

/**
 * 《深入理解Java虚拟机》中的案例：
 * staticObj、instanceObj、localObj存放在哪里？
 */
public class StaticObjTest {
    
    
    static class Test {
    
    
        static ObjectHolder staticObj = new ObjectHolder();
        ObjectHolder instanceObj = new ObjectHolder();

        void foo() {
    
    
            ObjectHolder localObj = new ObjectHolder();
            System.out.println("done");
        }
    }

    private static class ObjectHolder {
    
    
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        Test test = new StaticObjTest.Test();
        test.foo();
    }
}

7、1 变量的存放位置

staticObj变量随着Test的类型信息放在方法区，instanceObj成员变量随着Test的对象实例存放在Java堆中，localobject局部变量存放在foo()方法栈帧的局部变量表中

• staticObj 类变量（静态变量）：他是随着类的创建而被创建的和类一样放在方法区，但是 在JDK7以上，静态变量应该是在堆中
• instanceObj 实例变量的声明周期是和对象一致的，属于是对象的信息，应该放在堆中，对象的实例就是在堆中
• localobject 局部变量是属于方法的，对应栈中的栈帧，存放在局部变量表中

我们要理解:
存在栈中的变量是方法中定义的局部变量。
对象中定义的实例变量存储在堆中。

实例本身存放位置
测试发现：三个对象的数据在内存中的地址都落在Eden区的范围内（scanoops 0x00007f32c7800000 0x00007f32c7b50000 JHSDB_ _TestCase$Obj ectHolder），所以结论：只要是对象实例必然会在java堆中分配
接着，找到了一个应用该staticObj对象的地方，是在一个java.lang.Class的实例里，并且给出了这个实例的地址。
通过Inspector查看该对象实例，可以清楚看到这确实是一个 java.lang.Class类型的对象实例，里面有一个名为staticObj的实例字段：

• 从《Java 虛拟机规范》所定义的概念模型来看，所有 Class 相关的信息都应该存放在方法区之中，但方法区该如何实现，《Java 虚拟机规范》并未做出规定，这就成了一件允许不同虚拟机自己灵活把握的事情。
• JDK7 及其以后版本的 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，存储于java 堆之中，从我们的实验中也明确验证了这一点.。

Class对象是存放在堆区的，不是方法区，这点很多人容易犯错。
java.lang.Class对象，它们从来都是“普通”Java对象，跟其它Java对象一样存在普通的Java堆（GC堆的一部分）里。

类的元数据（元数据并不是类的Class对象！Class对象是加载的最终产品，类的方法代码，变量名，方法名，访问权限，返回值等等都是在方法区的）才是存在方法区的。

7、2　方法区的垃圾回收

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。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：常量池中废奔的常量和不再使用的类型。

• 常量池中废弃的常量
  • 先来说说方法去中常量池之中主要存放两大类常量：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法的概念
  • 常量池中包括下面三类常量：
    • 1、类和接口的全限名
    • 2、字段的名称和描述等
    • 3、方法名称和描述等
  • 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。
• 常量池中不再使用的类型
  • 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：
    • 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。
    • 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。
    • 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虛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虚拟机提供了一Xnoclassgc 参数进行控制，还可以使用一verbose：class以及一XX： +TraceClass一Loading、一XX：+TraceClassUnLoading查 看类加载和卸载信息
  • 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。

8、运行时数据区总结

面试题：
百度
三面：说一下JVM内存模型吧，有哪些区？分别干什么的？

蚂蚁金服：
Java8的内存分代改进
JVM内存分哪几个区，每个区的作用是什么？
一面： JVM内存分布/内存结构？栈和堆的区别？堆的结构？为什么两个survivor区？
二面： Eden和Survior的比例分配

小米：
jvm内存分区，为什么要有新生代和老年代

字节跳动：
二面： Java的内存分区
二面：讲讲jvm运行时数据库区
什么时候对象会进入老年代？

京东：
JVM的内存结构，Eden和Survivor比例 。
JVM内存为什么要分成新生代，老年代，持久代。新生代中为什么要分为Eden和Survivor。

天猫：
一面： Jvm内存模型以及分区，需要详细到每个区放什么。
一面： JVM的内存模型，Java8做了什么修改

拼多多：
JVM内存分哪几个区，每个区的作用是什么？

美团：
java内存分配
jvm的永久代中会发生垃圾回收吗？
一面： jvm内存分区，为什么要有新生代和老年代？
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