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【JVM基础】方法区

news 来源：原创 2024/5/18 14:24:19

【JVM基础】方法区

栈、堆、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：

例如：

Person 类的 .class 信息存放在方法区中
person 变量存放在 Java 栈的局部变量表中
真正的 person 对象存放在 Java 堆中

在 person 对象中，有个指针指向方法区中的 person 类型数据，表明这个 person 对象是用方法区中的 Person 类 new 出来的

方法区的理解

官网地址：[https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.5.4]

《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HotSpot JVM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，方法区看做是一块独立于Java堆的内存空间。

方法区主要存放的是 Class，而堆中主要存放的是实例化的对象

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。
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。
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。
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
加载大量的第三方的jar包；Tomcat部署的工程过多（30-50个）；大量动态的生成反射类等，这些都可能引起OOM。
关闭JVM就会释放这个区域的内存。

方法区的疑惑

你是否也有看不同的参考资料，有的内存结构图有方法区，有的又是永久代，元数据区，一脸懵逼的时候？

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。JDK 1.8之后，元空间存放在堆外内存中
我们可以将方法区类比为Java中的接口，将永久代或元空间类比为Java中具体的实现类
本质上，方法区和永久代并不等价。仅是对Hotspot而言的可以看作等价。《Java虚拟机规范》对如何实现方法区，不做统一要求。例如：BEAJRockit / 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
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

如何解决这些OOM？

1、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：jvisualvm.exe ）对dump出来的堆存储快照进行分析，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露（没有引用的对象，但没有及时回收的对象叫内存泄漏）（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）。

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。于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与GC Roots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GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。

3、如果不存在内存泄露，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。

方法区的内部结构

方法区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。

方法区结构

《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。

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

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

方法（Method）信息

JVM 必须保存所有方法的

方法名称
方法的返回类型
方法参数的数量和类型
方法的修饰符（public，private，protected，static，final，synchronized，native，abstract 的一个子集）
方法的字符码（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

注意：

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，它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，即使没有实例时你也可以访问它。

全局常量：static final

全局常量就是使用 static final 进行修饰
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。

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


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

反编译，查看字节码指令，可以发现 number 的值已经写死在字节码文件中了

  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

运行时常量池 VS 常量池

官方文档：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html

方法区，内部包含了运行时常量池；
字节码文件，内部包含了常量池（Constant pool）；

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。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，理解运行时常量池的话，我们先来说说字节码文件（Class 文件）中的常量池（常量池表）

常量池

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

为什么需要常量池？

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。在动态链接的时候用到的就是运行时常量池。

如下，我们通过 jclasslib 查看一个只有 Main 方法的简单类，字节码中的 #2 指向的就是 Constant Pool

常量池总结：

常量池可以看作是一张表，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。

运行时常量池总结：

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字节码文件的一部分，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到方法区的运行时常量池中。
运行时常量池，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项一样，是通过索引访问的。
运行时常量池中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，这里换为真实地址。
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。
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。

方法区使用举例

示例代码：

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);
    }
}

图解字节码指令执行流程：

字节码执行过程展示：初始状态

首先将操作数500压入操作数栈中

然后将操作数 500 从操作数栈中取出，存储到局部变量表中索引为 1 的位置

将操作数100压入操作数栈中

然后操作数 100 从操作数栈中取出，存储到局部变量表中索引为 2 的位置

读取本地变量 1 ，压入操作数栈

读取本地变量 2 ，压入操作数栈

两数相除，计算结果放在操作数栈顶，之后执行 istore_3 指令，将计算结果从操作数栈中弹出，存入本地变量表 3 中

将操作数 50 压入操作数栈

将操作数 50 从栈顶弹出，保存在局部变量表 4 中

获取 System.out 输出流的引用

将本地变量表 3 的值取出，压入操作数栈中，准备进行加法运算

将本地变量表 4 的值取出，压入操作数栈中，准备进行加法运算

执行加法运算后，将计算结果放在操作数栈顶

调用静态方法 println( ) ，输出加法结果

main( ) 方法执行结束

关于【符号引用 --> 直接引用】的理解：

上面代码调用 System.out.println( ) 方法时，首先需要看 System 类有没有加载，再看看 PrintStream 类有没有加载
如果没有加载，则执行加载，执行时，将常量池中的符号引用（字面量）转换为直接引用（真正的地址值）

关于程序计数器的说明：

程序计数器始终存储的都是当前字节码指令的索引地址，目的是为了方便记录方法调用后能够正常返回，或者是进行了CPU切换后，也能回到原来的代码继续执行。

方法区的演进细节

首先明确：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。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：

JDK6：

方法区由永久代实现，使用 JVM 虚拟机内存

JDK7：

JDK8及以后：

永久代为什么要被元空间替代？

官方的牵强解释：JRockit是和HotSpot融合后的结果，因为JRockit没有永久代，所以他们不需要配置永久代，HotSpot也就取消了永久代
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）。
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Perm区的OOM。比如某个实际Web工程中，因为功能点比较多，在运行过程中，要不断动态地加载很多类，经常出现致命错误。
- 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。
对永久代进行调优是很困难的。
- 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用的类型，方法区的调优主要是为了降低Full GC
- 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

StringTable为什么要调整？

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。
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。

静态变量存放在哪里？

/**
 * 结论：
 *  静态变量在jdk6/7存在与永久代中，在jdk8存在于堆中 //private static byte[] arr
 *  静态引用对应的对象实体始终都存在堆空间 //new byte[1024 * 1024 * 100];
 *
 * jdk7：
 * -Xms200m -Xmx200m -XX:PermSize=300m -XX:MaxPermSize=300m -XX:+PrintGCDetails
 * jdk 8：
 * -Xms200m -Xmx200m -XX:MetaspaceSize=300m -XX:MaxMetaspaceSize=300m -XX:+PrintGCDetails
 */
public class StaticFieldTest {
    private static byte[] arr = new byte[1024 * 1024 * 100]; //100MB

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(StaticFieldTest.arr);
    }
}

通过 GC 日志可以看出：静态变量引用对应的对象实体始终都在堆空间中（arr 数组对象直接怼到老年区去了）

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。

结论：简而言之，JDK 7及其以后的版本中，静态引用对应的对象实体始终都存放在堆空间中！

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：常量池中废弃的常量和不再使用的类型。