【JVM】JVM内存结构之——方法区（元空间）

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⽅法区与 Java 堆⼀样，是各个线程共享的内存区域，它⽤于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。⽅法区也被称为永久代。

1. 栈、堆、方法区的交互关系

1. UserEntity.class信息存放在 常量池中
   常量池在JDK1.6存放在方法区中；
   常量池在JDK1.8存放在元空间中；
2. New UserEntity 存放在堆内存中；
3. 返回一个内存地址给我们的 userEntity 存放在栈中

2. 方法区的理解

1.官方文档：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.5.4

2.《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，方法区可以看作是一块独立于Java堆的内存空间。

3.方法区主要存放的是 Class信息，而堆中主要存放的是实例化的对象
4.方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。多个线程同时加载统一个类时，只能有一个线程能加载该类，其他线程只能等等待该线程加载完毕，然后直接使用该类，即类只能加载一次。
5.方法区在JVM启动的时候被创建，并且它的实际的物理内存空间中和Java堆区一样都可以是不连续的。
6.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。
7.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
8. 造成方法区溢出的原因：
A.加载大量的第三方的jar包
B.Tomcat部署的工程过多
C.大量动态的生成反射类
D.JDK1.6 中定义大量的字符串
关闭JVM就会释放这个区域的内存。

3. 设置方法区大小与 OOM

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。

3.1 JDK7及以前(永久代)

1.通过-XX:Permsize来设置永久代初始分配空间。默认值是20.75M
2.-XX:MaxPermsize来设定永久代最大可分配空间。
3.当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报异常OutofMemoryError:PermGen space。

3.2 JDK8及以后(元空间)

JDK8 版本设置元空间大小
1.元数据区大小可以使用参数 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 指定

2.默认值依赖于平台，Windows下，-XX:MetaspaceSize 约为21M，-XX:MaxMetaspaceSize的值是-1，即没有限制。

3.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，虚拟机一样会抛出异常OutOfMemoryError:Metaspace

4.-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。

5.如果初始化的高水位线设置过低，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可以观察到Full GC多次调用。为了避免频繁地GC，建议将-XX:MetaspaceSize设置为一个相对较高的值。

4. 方法区OOM异常如何解决

DemoOOMClassLoader 类继承 ClassLoader 类，获得 defineClass() 方法，可自己进行类的加载

4.1 JDK7及以前(永久代)

public class DemoOOMClassLoader extends ClassLoader {
    /**
     * jdk6/7中：
     * -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m
     * 

     * jdk8中：
     * -XX:-UseCompressedClassPointers -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        int j = 0;
        try {
            DemoOOMClassLoader test = new DemoOOMClassLoader();
            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_8, 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);
        }
    }
}

4.2 JDK8及以后(元空间)

public class DemoOOMClassLoader extends ClassLoader {
    /**
     * jdk6/7中：
     * -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m
     * 

     * jdk8中：
     * -XX:-UseCompressedClassPointers -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        int j = 0;
        try {
            DemoOOMClassLoader test = new DemoOOMClassLoader();
            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_8, 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);
        }
    }
}

5. 方法区的内部结构

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。

5.1 类型信息

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：
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的某个子集）
这个类型直接接口的一个有序列表

5.2 域（Field）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）

5.3 方法（Method）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（包括 void 返回类型），void 在 Java 中对应的为 void.class
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、局部变量表及大小（abstract和native方法除外）
异常表（abstract和native方法除外），异常表记录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

6. 永久代演进过程

JDK1.7 有永久代，字符串常量池，静态变量移除，保存在堆中 其他的常量池存放在永久代
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。

6.1 永久代为什么要被元空间替代？

只有Hotspot才有永久代。BEA JRockit、IBMJ9等来说，是不存在永久代的概念的

1.JDK8 开始 无永久代改为元空间，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；

2.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，容易产生方法区的OOM。比如某个实际Web工程中，因为功能点比较多，需要加载的类很多，在运行过程中，要不断动态加载很多类，经常出现致命错误。 java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space

3.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。
相关证明代码：

6.2 字符串常量池为什么要调整位置？

1.JDK7中将字符串常量池放到了堆空间中。因为永久代的回收效率很低，在Full GC的时候才会执行永久代的垃圾回收，而Full GC是老年代的空间不足、永久代不足时才会触发。
2.这就导致字符串常量池回收效率不高，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。

6.3 如何证明 静态变量是存放在堆中？

静态引用对应的对象实体(也就是这个new byte[1024 * 1024 * 10])始终都存在堆空间
在栈内存中的变量：bytes 在JDK6,JDK7,JDK8存放位置中有所变化

JDK6

JDK8