2.2.5、运行时数据区-方法区

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分类专栏： JVM 文章标签： jvm java

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方法区概述

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。

虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。

所以，方法区可以看作是一块独立于Java堆的内存空间。

堆、栈、方法区的交互关系

对象的新建

截屏2020-06-11下午11.44.47

对象的使用

截屏2020-06-11下午11.55.24

方法区特点

与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域
方法区在JVM启动时就会被创建，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
和堆空间一样，可以选择固定大小或者可拓展
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 (Metaspace)，可能导致的内存空间溢出的有
- 加载大量的第三方jar包；
- Tomcat部署的工程过多；
- 大量动态生成反射类
关闭JVM就会释放这个区域的内存

方法区、永久代和元空间的关系

《Java 虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用，并没有规定如何去实现它。那么，在不同的 JVM 上方法区的实现肯定是不同的了。方法区和永久代的关系很像 Java 中接口和类的关系，类实现了接口，而永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。

也就是说，永久代是 HotSpot 的概念，方法区是 Java 虚拟机规范中的定义，是一种规范，而永久代是一种实现，一个是标准一个是实现，其他的虚拟机实现并没有永久代这一说法。

永久代和元空间的区别

在jdk7及以前，习惯上把方法区称为永久代。永久代使用的还是JVM的内存，容易OOM(超过-XX:MaxPermSize上限)

永久代

jdk8开始，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

永久代、元空间并不只是名字变了，内部结构也调整了

方法区配置

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：

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位机器模式是82M
当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报异常OutOfMemoryError ： PermGen space

jdk1.8 以后

元数据区大小的默认值依赖于平台。windows下：
- -XX:MetaspaceSize是 21M，
- -XX:MaxMetaspaceSize的值是 -1，即没有限制。
元数据区大小可以使用参数-XX:MetaspaceSize=[size] 和 -XX :MaxMetaspaceSize=[size] 指定，替代上述原有的两个参数。

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。

 *  jdk7及以前：
 *  查询 jps  -> jinfo -flag PermSize [进程id]
 *  -XX:PermSize=100m -XX:MaxPermSize=100m
 *
 *  jdk8及以后：
 *  查询 jps  -> jinfo -flag MetaspaceSize [进程id]
 *  -XX:MetaspaceSize=100m  -XX:MaxMetaspaceSize=100m

方法区内部结构

方法区存入的过程

截屏2020-06-12上午1.02.28

示例代码：

使用一个类来展示字节码文件中方法区的信息

public class MethodInnerStructTest extends Object implements Comparable<String>, Serializable {
		//属性
    private int i = 0;
    private String str = "str";
	
  	// 方法
    public void test1(){
        int count = 10;
        System.out.println("count=" + count);
    }

    public static int test2(int cal){
        int result = 0;
        try {
            int value = 30;
            result = value / cal;
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        return result;
    }

    @Override
    public int compareTo(String o) {
        return 0;
    }
}

使用javap -v -p MethodInnerStructTest.class 指令反编译字节码文件

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

反编译结果

public class com.sun.test.MethodInnerStructTest 
extends java.lang.Object
implements java.lang.Comparable<java.lang.String>, java.io.Serializable

域信息(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）

截屏2020-06-12上午1.32.15 (1)

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

截屏2020-06-12上午1.37.55

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所共享，即使没有类实例你也可以访问它。

public class MethodAreaTest {
    public static void main(String[] args) {
      	// 不会出现空指针异常
        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!");
    }
}

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被分配了。

截屏2020-06-12上午1.52.59

运行时常量池

字节码文件的常量池

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。

示例代码字节码文件的常量池

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作用

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。比如示例代码的字节码文件，大小就非常小，但是包含了各种类，可以在字节码中引用常量池

截屏2020-06-12下午10.48.42

常量池内存储的数据类型：

数量值
字符串值
类引用
字段引用
方法引用

运行时常量池

Class文件中的常量池表（Constant Pool Table）存放着编译期生成的各种字面量与符号引用，
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。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。（例如：String.intern()，添加字符串常量）
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。

方法区的存储过程(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);
    }
}

常量池

Constant pool:
   #1 = Methodref          #5.#24         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #25.#26        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Methodref          #27.#28        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #4 = Class              #29            // com/sun/test/MethodAreaDemo
   #5 = Class              #30            // java/lang/Object
   #6 = Utf8               <init>
   #7 = Utf8               ()V
   #8 = Utf8               Code
   #9 = Utf8               LineNumberTable
  #10 = Utf8               LocalVariableTable
  #11 = Utf8               this
  #12 = Utf8               Lcom/sun/test/MethodAreaDemo;
  #13 = Utf8               main
  #14 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #15 = Utf8               args
  #16 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #17 = Utf8               x
  #18 = Utf8               I
  #19 = Utf8               y
  #20 = Utf8               a
  #21 = Utf8               b
  #22 = Utf8               SourceFile
  #23 = Utf8               MethodAreaDemo.java
  #24 = NameAndType        #6:#7          // "<init>":()V
  #25 = Class              #31            // java/lang/System
  #26 = NameAndType        #32:#33        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #27 = Class              #34            // java/io/PrintStream
  #28 = NameAndType        #35:#36        // println:(I)V
  #29 = Utf8               com/sun/test/MethodAreaDemo
  #30 = Utf8               java/lang/Object
  #31 = Utf8               java/lang/System
  #32 = Utf8               out
  #33 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #34 = Utf8               java/io/PrintStream
  #35 = Utf8               println
  #36 = Utf8               (I)V

main方法的字节码指令

 0 sipush 500
 3 istore_1
 4 bipush 100
 6 istore_2
 7 iload_1
 8 iload_2
 9 idiv
10 istore_3
11 bipush 50
13 istore 4
15 getstatic #2 <java/lang/System.out>
18 iload_3
19 iload 4
21 iadd
22 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println>
25 return

main方法执行过程

加载形参

截屏2020-06-12下午11.13.15

3~6 将变量压入操作数栈(push)，并存入本地变量表(store)

截屏2020-06-12下午11.16.54

7~10 将本地变量表中1，2 的索引取出，压入栈中(load)，进行相除计算(div),并将结果存入(store)在本地变量表中

截屏2020-06-12下午11.22.43

11~12 将int 50 压入栈，并存入本地变量表

15~21 将常量池中的索引2取出指针指向的对应类java/lang/System 的out Ljava/io/PrintStream 常量压入栈中，将本地变量表中的3，4 好索引压入栈中，并相加

截屏2020-06-12下午11.37.26

22 从常量池中查询索引指向的类中的方法，创建新的栈帧并，执行该方法

截屏2020-06-12下午11.41.29

方法区的演进细节

Hotspot中方法区的变化：

jdk1.6及之前：有永久代（permanent generation），静态变量存放在永久代上

截屏2020-06-12下午11.52.19

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

截屏2020-06-12下午11.53.30

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

截屏2020-06-12下午11.53.42 (1)

元空间替换永久代的原因

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。
对永久代进行调优是很困难的。

StringTable 调整原因

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。这就导致了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.

方法区垃圾回收

《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 2GC 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。

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