探究Java虚拟机运行时数据区，了解方法区的奥秘

目录

一、栈、堆、方法区交互关系

二、方法区的理解

三、HotSpot中方法区的演进

四、设置方法区大小与OOM

五、如何解决OOM

六、方法区的内部结构

（一）类型变量

（二）域信息

（三）方法信息

（四）non-final的类变量

（五）全局常量

（六）常量池

（七）运行时常量池

七、方法区使用举例

八、方法区的演进细节

（一）HotSpot中方法区的变化

（二）永久代为什么被元空间替换

九、方法区的垃圾回收

（一）方法区的垃圾收集主要回收两部分内

（二）方法区内常量池中主要存放的两大类常量

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这次学习的是JVM运行时数据区中的方法区部分

一、栈、堆、方法区交互关系

方法区是线程共享的，其只是一种规范，在jdk1.7之前为永久代。jdk1.8之后去除永久代，改为元空间，后面会介绍。

二、方法区的理解

1、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，但是一些简单的实现，可能不会选择去进行垃圾收集或者进行压缩。对于HotSpot而言，方法区还有一个别名叫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

2、方法区和Java堆一样，是各个线程共享的内存区域

3、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和Java堆区一样，都是可以不连续的。方法区的大小和堆空间一样，可以选择固定大小或者可扩展

4、方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果定义太多类，加载大量的第三方的Jar包，Tomcat部署过多工程，导致方法区溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出OOM：PermGen space或者Metaspace 

5、关闭JVM就会释放这个区域的内存

三、HotSpot中方法区的演进

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

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

根据Jvm规范，如果方法区无法满足新的内存分配需求，将抛出OOM异常

本质上，方法区和永久代并不等价，仅是对HostSpot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。现在来看，当年使用永久代，不是好的点子，导致Java程序更容易OOM

我们可以使用 -XX:MaxPermSize 来控制永久代的大小

四、设置方法区大小与OOM

方法区大小不是固定的，jvm可以根据应用动态调整

• JDK7及以前
  • 通过-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位机器默认是82M
  • 如果JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报OOM:PermGenspace
• JDK8及以后
  • -XX:MetaspaceSize
  • -XX:MaxMetaspaceSize
  • 默认值依赖平台
    • windows下初始为21M，最大是-1即没有限制
  • 如果不指定大小，虚拟机耗用所有可用系统内存，元数据区发生溢出，一样会出现OOM:Metaspace
  • 对于一个64位服务端JVM来说，默认的初始元数据区空间为21M，这就是初始的高水位线。一旦触及这个水位线，FULLGC会触发并卸载没有用的类，然后高水位线会被重置。新的高水位线的值取决于GC后释放了多少元空间。如果释放空间不足，在不超过最大设定值时，适当提高该值。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设置过低，上述高水位线调整情况会发生很多次，fullGC多次调用。为了避免频繁FullGC，建议将-XX:MetaspaceSize设置为一个相对较高的值

五、如何解决OOM

1、要解决OOM或heap space异常，一般的手段是通过内存映像分析工具，对dump出来的堆转存储快照进行分析，重点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露，还是内存溢出

2、如果是内存泄露，可进一步通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链，于是就能找到内存泄露对象时通过怎样的路径与GC Roots相关联，导致垃圾收集器无法自动回收他们。根据引用链信息，可以较准确的定位出泄露代码的位置

3、如果不存在内存泄露，或者说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），与物理机器内存对比是否还可以调大，从代码检查是否某些对象生命周期过长，持有状态时间过长，尝试减少程序运行时的内存耗用

六、方法区的内部结构

方法区存储已被虚拟机加载的类型信息（而且还记录了这个类是被哪个类加载器加载的），常量，静态变量，即时编译器编译后的代码缓存（主要是类信息和运行时常量池），

（一）类型变量

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. 类型的完整有效名称（全名=包名.类名）
2. 类型直接父类的完整有效名，对于interface或Object没有父类
3. 类型的修饰符，（public，abstract，final的某个子集）
4. 类型直接接口的一个有序列表

（二）域信息（也就是Field，即成员变量）

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）

（三）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，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）
  • 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。

（四）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共享，即使没有类实例时，你也可以访问它

（五）全局常量：static final

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

对于被final修饰的常量，在链接的准备阶段中就已经赋值了。而其他属性只是在准备阶段赋零值，在初始化阶段才进行显式赋值

（六）常量池

方法区，内部包含了运行时常量池。而字节码文件包含了常量池，运行时将常量池加载到方法区，就是运行时常量池

要弄清楚方法区，需要理解清楚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的类的版本信息、字段、方法以及接口等描述信息外，还包含一项信息那就是常量池表（Constant Pool Table），包括各种字面量和对类型、域和方法的符号引用

为什么要用常量池？

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，以至于不能直接存到字节码里。换一种方式，可以存到常量池，这个字节码包含了指向常量池的引用。在动态链接会用到运行时常量池。

常量池有什么？

• 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、字面量等类型

（七）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。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，池中的数据像数组项一样，通过索引访问

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，这里转换为真实地址。

运行时常量池，相对于class文件常量池的另一个重要特征是：具备动态性

例如：String.intern可以将字符串也放入运行时常量池

当创建类或接口的运行时常量池，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异常

这里注意，常量池数量为N，则索引为1到N-1，

七、方法区使用举例

八、方法区的演进细节

（一）HotSpot中方法区的变化

jdk1.6及之前有永久代，静态变量存放在永久代上

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，静态变量仍在堆

 

为什么StringTable要调整位置？

StringTable也就是字符串常量池原本在方法区中，而方法区中垃圾回收是很少的，所以对于StringTable的回收效率是比较低的，因此放到堆这个经常进行垃圾回收的地方，可以更有效的回收字符串常量池中的无用对象。

（二）永久代为什么被元空间替换

随着 JAVA8的到来，HotSpotVM中再也见不到永久代了，但是并不意味着类的元数据信息也消失了，这些数据被转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的可用内存空间

原因1：为永久代设置空间大小很难确定

在某些场景下，如果动态加载类过多，就容易产生OOM

而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

原因2：对永久代进行调优是很困难的

很少对永久代进行垃圾回收。也就是Full GC。方法区的垃圾回收主要是两部分：常量池中废弃的常量和不再使用的类型。常量的话不被引用就会回收，和对象差不多；而类不像对象一样没有引用了就会被回收。需要进行检查啥的，比较费时间。所以会比较少的对永久代进行垃圾回收，那么使用内存更大的本地内存也就很合情理了。

九、方法区的垃圾回收

有些人认为方法区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非常宽松，提到过可以不要求虚拟机在方法区实现垃圾收集。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，如JDK11 ZGc

（一）方法区的垃圾收集主要回收两部分内

• 常量池中废弃的常量
  • HotSpot对常量池的回收策略很明确，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堆中对象非常类似
• 不再使用的类型
  • 需要同时满足三个条件
    • 该类所有的实例已经被回收
      • 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（很难达到这个条件）
    • 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改类的方法
  • 满足以上三个条件后，并不是和对象一样立即被回收，仅仅是允许。
  • HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制

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 

（二）方法区内常量池中主要存放的两大类常量

• 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
• 符号引用
  • 属于编译原理方面的概念
    • 类和接口的全限定名
    • 字段的方法和描述符
    • 方法的名称和描述符