1、堆，栈，方法区的交互关系

运行时数据区结构图（从线程共享与否的角度来看）
堆，栈，方法区的交互关系

2. 方法区的理解

《Java虚拟机规范》中明确说明：尽管所有的方法区在逻辑上属于堆的一部分，但一些简单的实现可能不会选择去进行垃圾或者压缩；但对于HotSpot虚拟机来说，方法区还有一个名字叫做非堆（Non-heap），目的就是要和堆分开；所以方法区可以看作是独立于堆空间的一块内存区域；
方法区与堆区一样，是各个线程所共享的内存区域；
方法区在JVM启动的时候就会被创建，并且它的实际物理内存空间和Java堆一样，都可以是不连续的；都是可以选择固定大小或者是可扩展的；
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：加载大量的第三方jar包；Tomcat部署的工程太多；大量动态生成反射类；
关闭JVM就会释放这一区域的内存空间；例：使用jvisualvm查看加载类的个数

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...");
    }
}

在这里插入图片描述

在JDK7及之前，习惯上把方法区称为永久代，从JDK8开始，使用元空间取代了永久代；
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》并没有对如何实现方法去做统一的要求，例如BEA JRockit/IBM J9中不存在永久代的概念，现在看来，当年使用永久代并不是一个好的想法，因为这会导致Java程序更容易出现OOM（超过-XX:MaxPermSize上限）；
方法区在JDK7以及在JDK8的落地实现：
在JDK8中，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；
元空间的本质与永久代类似，都是对JVM规范中对方法区的实现，不过元空间与永久代最大的区别就是元空间不在虚拟机设置的内存中，而是使用了本地内存；
永久代，元空间，不只是名字变了，内部的结构也改变了；
根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存需求时，将抛出OOM异常；

3. 设置方法区大小与OOM

方法去的大小不必是固定的JVM可以根据应用的需要动态的调整；

JDK7及以前：

通过-XX:PermSize来设置永久代的初始分配空间大小，默认值是20.75M；
-XX：MaxPremSize来设定永久代的最大可分配空间，32位机器默认是64M，64位机器默认是82M；
当JVM加载的类信息超过了这个值，会报异常OutOfMemoryError:PermGen space；.

JDK8及之后：

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
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;
与永久代不同，默认情况下，如果不指定大小，虚拟机会耗尽所有的可用系统内存，如果元数据区发生内存溢出，虚拟机一样会抛出异常：OutOfMemoryError:Metaspace；
-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，其默认的值为21M，这就是初始的高水位线，Full GC一旦触及这个水位线，Full GC就会被触发并卸载没有用的类（即这些类对应的类加载器将不在存活），然后这个高水位线将会被重置，新的高水位线取决于GC后释放了多少元空间，如过释放的元空间不足，那么在不超过MaxMetaspaceSize的情况下，应适当提高该值；如果释放的空间过多，则适当地降低该值；
如果初始化的高水位线过低，上述的高水位线的调整情况会发生很多次，通过垃圾回收的日志可以观察到Full GC多次调用；为了避免频繁的GC，建议将-XX:MetaspaceSize设置为一个相对较大的值；

 *  jdk7及以前：
 *  查询 jps  -> jinfo -flag PermSize [进程id]
 *  -XX:PermSize=100m -XX:MaxPermSize=100m
 *
 *  jdk8及以后：
 *  查询 jps  -> jinfo -flag MetaspaceSize [进程id]
 *  -XX:MetaspaceSize=100m  -XX:MaxMetaspaceSize=100m

方法区OOM

要解决OOM异常或者是heap space的异常，一般的手段是先通过内存映像分析工具对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，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏还是出现了内存溢出；
如果是出现了内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链，于是就能找到泄露的对象是通过什么样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动收集他们的；掌握了泄露对象的类型信息，以及GC Roots引用链的信息，就可以比较精确的定位出泄露代码的位置；
如果不存在内存泄露，也就是说内存中的对象还必须活着，那就应该检查虚拟机的堆参数（-Xms与-Xmx），与机器内存对比看是否还可以变大，从代码上查看是否存在某些对象的生命周期过长，持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗；
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);
        }
    }
}

4. 方法区内部结构

在这里插入图片描述

《深入理解Java虚拟机》书中对方法区存储的内容有以下描述：它用于存储已经被虚拟机加载的 类型信息，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码缓存等；；

类型信息

对于每一个被加载的类型（类class，接口interface，枚举enmu，注解annotation），JVM必须在方法区中存储以下类型的信息：

这个类型的完整有效名称（全类名=包名.类名）
这个类型的直接父类的完整有效名；（对于interface或者是java.lang,Object，都没有父类）
这个类的修饰符（public，abstract，final的某个子集）；
这个类型直接接口的一个有序列表；

域信息（成员变量）

JVM必须在方法去中保存类型的所有域的相关信息信息以及域的声明顺序；
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（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， volatile， transient的某个子集）；
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）；
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位置，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；
类变量被类的所有实例所共享，即使没有类实例你也可以访问它；
以下代码不会报空指针异常

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!");
    }
}

全局常量static final被声明为final的类变量的处理方法则不同，每个全局变量在编译的时候就被分配了；

代码解析：

Order.class字节码文件，右键Open in Teminal打开控制台，使用javap -v -p Order.class > tst.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在编译的时候就被赋值了，这不同于没有被final修饰的static变量count是在类加载的准备阶段被赋值的

 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

常量池

在这里插入图片描述

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，还应包含一项信息那就是常量池表（Constant Pool Table），包含各种字面量（在计算机科学中，字面量（literal）是用于表达源代码中一个固定值的表示法（notation）。几乎所有计算机编程语言都具有对基本值的字面量表示，诸如：整数、浮点数以及字符串；而有很多也对布尔类型和字符类型的值也支持字面量表示；还有一些甚至对枚举类型的元素以及像数组、记录和对象等复合类型的值也支持字面量表示法。）以及对类型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的支持，通常这种数据会很大以至于不能直接存到字节码里；换一种方式，可以存放到常量池中，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常量池；
比如如下代码，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！

public class Simpleclass {
    
    

	public void sayhelloo() {
    
    
    	System.out.Println (hello);
    }
    
}

几种在常量池中存储的数据类型：

数量值
字符串值
类引用
字段引用
方法引用

总结：

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、字面量等信息。

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在方法区的运行时产量池中；
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为每一个已加载的类型（类或接口）都维护一个常量池；池中的数据项像数组一样是通过索引来访问的；
运行时常量池中包含多种不同的常量，包含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，而是相应的真实地址；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；如：String.intern()；
运行时常量池类似于传统编程语言中的符号表（symbol table），但是它所包含的数据却要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OutOfMemoryError异常。

5. 方法区的使用举例

public class MethodAreaDemo {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        int x = 500;
        int y = 100;
        int a = x / y;
        int b = 50;
        System.out.println(a + b);
    }
}

main方法的字节码指令

 0 sipush 500
 3 istore_1
 4 bipush 100
 6 istore_2
 7 iload_1
 8 iload_2
 9 idiv
10 istore_3
11 bipush 50
13 istore 4
15 getstatic #2 <java/lang/System.out>
18 iload_3
19 iload 4
21 iadd
22 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println>
25 return

在这里插入图片描述

6. 方法区的演进细节

首先要明确的是，只有HotSpot虚拟机才有永久代，对于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的细节，《Java虚拟机规范》并没有做统一的要求；
HotSpot中方法区的变化：

JDK6及之前：有永久代，静态变量存放在永久代上；
JDK7：有永久代，但已经逐步“去永久代”，字符串常量池、静态变量被移除至堆中；
JDK8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、静态变量仍然存放在堆中；

在这里插入图片描述

永久代为什么要被元空间代替

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随之消失了；这些数据被移到了一个与堆并不相连的本地内存区域，这个区域叫做元空间；
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的可用内存空间；
这项改动是非常有必要的，原因有：
1. 为永久代设置空间大小是很难确定的，在某些场景下，如果动态加载的类过多，就容易产生永久代的OOM；比如某个实际的Web应用中，由于功能点非常的多，因此在实际运行的过程中要不断的动态的加载很多的类，经常会出现致命的错误"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就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. 对永久代进行调优是非常困难的；

String Table为什么要进行调整

JDK7中将String Table放到了堆空间中；由于永久代的回收效率很低，，在Full GC的时候才会触发，而Full GC只有在老年代空间不足，永久代空间不足的时候才会被触发；这就导致了String Table的回收效率不高；而我们在开发的时候会有大量的字符串被创建；最终会导致永久代的内存空间不足；而放到堆里面就能够及时对其进行回收；

如何证明静态变量存放在哪里

/**
 * 《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();
    }
}

staticObj随着Test的类型信息存放在方法区，instanceObj随着Test的对象实例存放在Java堆中，localObj则是存放在foo()方法栈帧的局部变量表中；

hsdb>scanoops 0x00007f32c7800000 0x00007f32c7b50000 JHSDB_ _TestCase$Obj ectHolder
0x00007f32c7a7c458 JHSDB_ TestCase$Obj ectHolder
0x00007f32c7a7c480 JHSDB_ TestCase$Obj ectHolder
0x00007f32c7a7c490 JHSDB_ TestCase$Obj ectHolder

测试发现，三个对象的数据在内存中的地址都落在了Eden区范围内，所以结论是：只要是对象实例必然会在Java堆中分配；
接着，找到了一个引用该staticObj对象的地方，是一个在java.lang.Class的实例中，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虚拟机规范》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，但是方法去该如何实现，《Java虚拟机规范》并没有给出明确的规定，这就成为了一件允许不同虚拟机自己灵活把握的事情；JDK7及之后的版本的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；

7. 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）是不存在垃圾回收的，其实不然；《Java虚拟机规范》对方发去的约束是非常宽松的，提到过可以不要求虚拟机在方法去中实现垃圾收集；事实上也确实有未实现或者是未能完整实现方法区类型卸载的垃圾收集器（如 JDK11 时期的 2GC 收集器就不支持类卸载）；
一般来说这个区的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当的苛刻；但是这部分区域的回收有时又是非常必要的，以前Sun公司的Bug列表中，曾出现过若干的严重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的内存泄露；方法区的垃圾收集主要涉及两方面：常量池中废弃的常量和不再使用的类型；
先说说方法区内常量池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语言层次的常量的概念，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的概念，其包括下面三类常量：类的接口和全限定名，字段的名称和描述符，方法的名称和描述符；
HotSpot虚拟机对常量池的回收是非常明确的，只要常量池中的常量没有被任何地方引用；就可以被回收；
回收废弃的常量与回收Java堆中的对象是非常相似的；
判断一个常量是否废弃还是比较简单的；但是要判断一个类型是否是属于不再被使用的类的条件还是非常苛刻的，需要同时满足以下三个条件；
1. 该类所有的实例都已经被回收，也就是说在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被回收，关于是否对类型进行回收，HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用-verbose:class以及-XX:+TraceClassLoading、-XX:+TraceClassUnLoading查看类加载和卸载信息;
在大量使用反射，动态代理，GCLib等字节码框架，动态生成JSP以及OSGI这种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能力，以保证不会对方法区造成过大的内存压力；

8. 总结

在这里插入图片描述

JVM_05-方法区

文章目录

1、堆，栈，方法区的交互关系

2. 方法区的理解

3. 设置方法区大小与OOM

4. 方法区内部结构

类型信息

域信息（成员变量）

方法信息

non-final的类变量

常量池

运行时常量池

5. 方法区的使用举例

6. 方法区的演进细节

永久代为什么要被元空间代替

String Table为什么要进行调整

如何证明静态变量存放在哪里

7. 方法区的垃圾回收

8. 总结

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