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⭐️ ⭐️上篇文章-<JVM上篇:内存与垃圾回收篇>05-本地方法接口和本地方法栈 | 06-堆 ⭐️ ⭐️
从线程共享与否的角度来看
官方文档:Chapter 2. The Structure of the Java Virtual Machine (oracle.com)
《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,方法区看作是一块独立于 Java 堆的内存空间。
代码层面也可以进行演示:
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
或者java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
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。
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 中不存在永久代的概念。
补充:
可以把方法区看成接口,永久代或者元空间看成其实现
元空间是方法区的一种实现. 方法区是一种规范,永久代和元空间是两种不同的实现方式
元空间不在虚拟机设置的内存中,而是使用了本地内存
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)
而到了 JDK8,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 (可以达到几个G…更不容易出现OOM)
永久代、元空间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
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
-XX:Permsize
来设置永久代初始分配空间。默认值是 20.75M-XX:MaxPermsize
来设定永久代最大可分配空间。32 位机器默认是 64M,64 位机器模式是 82MOutOfMemoryError:PermGen space
。JDK8 以后
-XX:MetaspaceSize
和 -XX:MaxMetaspaceSize
指定-XX:MetaspaceSize=21M -XX:MaxMetaspaceSize=-1//即没有限制
。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-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。-XX:MetaspaceSize
设置为一个相对较高的值。代码演示
/**
* 测试设置方法区大小参数的默认值
*
* jdk7及以前:
* -XX:PermSize=100m -XX:MaxPermSize=100m
*
* jdk8及以后:
* -XX:MetaspaceSize=100m -XX:MaxMetaspaceSize=100m
* @author shkstart [email protected]
* @create 2020 12:16
*/
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...");
}
}
举例 1:《深入理解 Java 虚拟机》的例子
举例 2
/**
* jdk6/7中:
* -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m
*
* jdk8中:
* -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
*
* @author shkstart [email protected]
* @create 2020 22:24
*/
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);
}
}
}
要解决 OOM 异常或 heap space 的异常,一般的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,也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow)
如果是内存泄漏,可进一步通过工具查看泄漏对象到 GC Roots 的引用链。于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与 GCRoots 相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄漏对象的类型信息,以及 GCRoots 引用链的信息,就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。
一句话: 内存泄漏就是有大量的引用指向某些对象,但是这些对象以后不会使用了,但是因为它们还和GC ROOT有关联,所以导致以后这些对象也不会被回收,这就是内存泄漏的问题
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必须存活着,那就应当检查虚拟机的堆参数(-Xmx
与-Xms
),与机器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。
《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、即时编译器编译后的代码缓存等。
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:
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)
问题:方法区包含域信息,也就是包含成员变量?
只是存放了成员变量的信息,具体的值会和对象一起放在堆中。类变量会存放在方法区
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:
**备注:**以上代码皆来源于MethodInnerStrucTest
类的字节码文件, 可以通过 javap -v -p Met hodInnerStrucTest.class > test.txt
命令,将字节码导出到文件中,便于观察.
字节码文件中存放着类文件的类型详细信息.(如上所示)
类加载器将字节码文件加载到方法区后. 方法区中除了记录着类的详细信息,还包括该类是被哪个类加载器加载的等, 同时类加载器(也是类)也会记录加载了哪些类.
/**
* non-final的类变量
* @author shkstart [email protected]
* @create 2020 20:37
*/
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!");
}
}
执行以上的main方法,并不会报错,amazing!
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被分配了。
通过字节码查看
代码同上面.....
官方文档:https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html
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符信息外,还包含一项信息就是常量池表(Constant Pool Table),包括各种字面量和对类型、域和方法的符号引用. 也就是说一个方法的具体实现细节都藏在常量池中
举例:
常量池中的信息相当于炒菜的基本原料,每个方法相当于一道道菜.每道菜都可能会用到那些基本原材料.对应到代码中,方法的字节码会用到常量池中的内容
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,之前有介绍。
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。
击中常量池内存储的数据类型包括:
例如下面这段代码:
public class MethodAreaTest2 {
public static void main(String args[]) {
Object obj = new Object();
}
}
Object obj = new Object();
将会被翻译成如下字节码:
0: new #2 // Class java/lang/Object
1: dup
2: invokespecial // Method java/lang/Object ""() V
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
深入解析动态性:
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);
}
}
图解纠错
程序计数器里面应该保存的是当前执行指令的下一条指令地址.
分析:PC计数器保存的是当前指令的下一条指令地址。当前指令执行完毕,CPU切换到其他线程,执行另外一个线程的指令。 当CPU再次切换回来时,从PC计数器拿到下一条要执行的指令继续进行执行。
(CPU不会执行一半就去执行其他线程的指令)
JDK1.6 及之前 | 有永久代(permanet),静态变量存储在永久代上 |
---|---|
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 | 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、静态变量仍然在堆中。 |
官网地址:JEP 122: Remove the Permanent Generation (java.net)
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内存空间。
这项改动是很有必要的,原因有:
"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。
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 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
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
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。
/**
* 静态引用对应的对象实体始终都存在堆空间
* jdk7:
* -Xms200m -Xmx200m -XX:PermSize=300m -XX:MaxPermSize=300m -XX:+PrintGCDetails
* jdk8:
* -Xms200m -Xmx200m-XX:MetaspaceSize=300m -XX:MaxMetaspaceSize=300m -XX:+PrintGCDetails
*/
public class StaticFieldTest {
private static byte[] arr = new byte[1024 * 1024 * 100];
public static void main(String[] args) {
System.out.println(StaticFieldTest.arr);
try {
Thread.sleep(1000000);
} catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}
}
结论:静态引用对应的对象实体始终都存在堆空间
/**
* 《深入理解Java虚拟机》中的案例:
* staticObj、instanceObj、localObj存放在哪里?
* @author shkstart [email protected]
* @create 2020 11:39
*/
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();
}
}
使用 JHSDB 工具进行分析,这里细节略掉
**三个变量的引用:**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,localobject 则是存放在 foo()方法栈帧的局部变量表中。
测试发现:三个对象的数据在内存中的地址都落在 Eden 区范围内,所以结论:只要是对象实例必然会在 Java 堆中分配。
接着,找到了一个引用该 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 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
备注:前面已经说过了,没有栈上分配这码事,如果未逃逸,做标量替换,把一个对象分解为多个成员变量,也还是存在堆上。
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:常量池中废弃的常量和不再使用的类型。
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:
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:
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 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:+TraceClassLoading
、-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。
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