JVM -- 方法区、对象的实例化内存布局与访问定位

最新推荐文章于 2025-03-21 08:23:00 发布

南征_北战

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分类专栏： JVM 集合类多线程文章标签： jvm

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栈、堆、方法区的交互关系

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。

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j ava.lang.OutOfMemoryError: Metaspace （JDK7之后）（如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）
关闭JVM就会释放这个区域的内存。.

如下一段简单的代码，但其实加载了大约1656个类！

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.....");
    }
}

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。
本质上，方法区和永久代并不等价。仅是对hotspot而言是这样的。《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，不是好的主意。导致Java程序更容易OOM (超过-XX :MaxPermSize上限)。（-XX :MaxPermSize 用来设置方法区或者称之为永久代的大小，BEA JRockit/ IBM J9中不存在永久代的概念它们的方法区可达几个GB更不容易出现OOM）
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。（字符串常量池静态变量等等）
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。

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。JDK8以后：

元数据区大小可以使用参数-XX:Metaspacesize和-XX:MaxMetaspaceSize指定。
默认值依赖于平台（因为此时元空间用的是本地内存）。windows下，-XX:MetaspaceSize是21M，-XX:MaxMetaspacesize的值是-1，即没有限制。（-XX:MetaspaceSize=100m -XX:MaxMetaspaceSize=100m）
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
-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。
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。

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（MemoryLeak）还是内存溢出（Memory overflow）（内存泄漏是指对象虽然有被引用，但是没有被实际使用）。
2、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（比如有些不需要用静态的，有些可以在方法内申明的就不要作为成员变量等等）。

方法区的内部结构

《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（因为不只是类，还包括接口枚举注解等。其中包括域信息和方法信息）、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:
①这个类型的完整有效名称(全名=包名.类名)
②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)
③这个类型的修饰符(public, abstract, final的某个子集)
④这个类型直接接口的一个有序列表（如果这个类实现了接口的话，因为可以多实现所以用列表体现）

域(Field 属性)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(Methog)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 void也是一个类型，void.class 也是对应一个类)
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

选中当前字节码文件——右键——Open in ——Terminal

输入如下命令展示详细类编译后的结构

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，即使没有类实例时你也可以访问它。

补充说明:全局常量 static final

被声明为final的类变量(静态常量)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。

运行时常量池vs常量池

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。
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。（因为把字节码文件中的常量池加载到方法区后对应的结构就是运行时常量池）

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。在动态链接的时候会用到运行时常量池，之前有介绍。
比如:如下的代码:

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!这里就需要常量池了!

如图：在字节码中看到井号就知道这是常量池的引用。

几种在常量池内存储的数据类型包括:数量值、字符串值、类引用、字段引用、方法引用

小结:
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、字面量等类型。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime constant Poo1）是方法区的一部分。
常量池表(Constant Pool Table）是class文件的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量（字面量的意思是用于表达源代码中一个固定值）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。（每个类和接口都会对应自己的运行时常量池？那岂不是常量池非常多，而且存在冗余？）
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（符号引用转换为直接引用）。（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。例如：String.intern()方法在常量池中没有的情况下放一个常量进去，所以动态性可以体现在运行时常量池的东西比常量池更多一些）
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

编译是在Build中不是在Run中。然后在out目录中找到对应的类，右键，open in Terminal。
如下是代码和其对应的字节码举例（仅仅是main方法部分的字节码）

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);
    }
}

要注意push是入操作数栈，store是存储到局部变量表（此时操作数栈已经没有该元素了）load是把局部变量表中的对应索引的数据加载到操作数栈中
如下getstatic#2 是调用常量池中的数据

方法区的演进细节

1．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（它们用元空间）。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。
2. Hotspot中方法区的变化:

JDK7的时候方法区还是用的虚拟机的内存（虚拟出来的内存，和本地内存有映射关系）

永久代为什么要被元空间替换?
动机：JRockit 用户不习惯配置永久代，而JDK8是Hotspot 和 JRockit的融合，那为什么JRokit为什么没有永久代呢？
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:
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。（而且它放在堆中容易引发FullGC）
2）对永久代进行调优是很困难的。

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。

如何证明静态变量存在哪
staticobj随着Test的类型信息存放在方法区（后面有推翻），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。new出来的都在堆中

从《ava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。JDK 7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对象实体存放在一起，存储于Java堆之中，从我们的实验中也明确验证了这一点

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（随着进程而销毁）。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。

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:1、类和接口的全限定名 2、字段的名称和描述符 3、方法的名称和描述符
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]ava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（加载后的类会纪录是哪个加载器加载的，加载器也会记录它加载过哪些类），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:+Traceclass-Loading、-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。

总结

对象的实例化内存布局与访问定位

实例化

当我们创建对象时候从字节码角度看都做了哪些事情

public class ObjectTest{
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
    }
}

前面所述是从字节码角度看待对象的创建过程，现在从执行步骤的角度来分析:

上图中1对应
虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数能否在Metaspace的常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化。(即判断类元信息是否存在)。如果没有，那么在双亲委派模式（按需加载）下，使用当前类加载器以ClassLoader+包名+类名为Key进行查找对应的.class文件。如果没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException异常，如果找到,则进行类加载,并生成对应的Class类对象

上图中2总对应
首先计算对象占用空间大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。如果实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即4个字节大小。
上图中2.1对应
  如果内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（ Bump The Pointer )来为对象分配内存。意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存在另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。如果垃圾收集器选择的是Serial、ParNew这种基于压缩算法的（可以解决碎片化问题），虚拟机采用这种分配方式。一般使用带有compact(整理)过程的收集器时，使用指针碰撞。
上图中2.2对应
  如果内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虚拟机将采用的是空闲列表法来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表，记录上哪些内存块是可用的，再分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的内容。这种分配方式成为“空闲列表(Free List ) ".对应的垃圾收集算法是CMS，它清理后的内存空间就不是规整的。
说明
  选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

上图对应5
将对象的所属类（即类的元数据信息)、对象的HashCode和对象的GC信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于JVM实现。
上图对应6（显式初始化）
在Java程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量。
因此一般来说（由字节码中是否跟随有invokespeLial指令所决定)，new指令之后会接着就是执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全创建出来。

以上内容简而言之：测试对象实例化的过程
1、加载类元信息-----2、为对象分配内存-----3、处理并发问题-----4、属性的默认初始化（零值初始化)-----5、设置对象头的信息–----6、属性的显式初始化、代码块中初始化、构造磊中初始化