JVM系列整體欄目

一，運行時數(shù)據(jù)區(qū)共享區(qū)域—方法區(qū)

1，方法區(qū)的基本概述

方法區(qū)和堆一樣，也是屬于運行時數(shù)據(jù)區(qū)中的共享區(qū)域，并且也屬于重要的一個內(nèi)存空間，該空間主要是配合堆棧一起工作。

如下面這行代碼，new User就是存在Java堆中，第一個User就是存在方法區(qū)中，第二個user就是作為局部變量表存儲在棧中。

User user = new User();
#方法區(qū)：User
#棧：user
#堆：new User();

《Java虛擬機規(guī)范》中明確說明：“盡管所有的方法區(qū)在邏輯上是屬于堆的一部分，但一些簡單的實現(xiàn)可能不會選擇區(qū)進行垃圾回收或者進行壓縮”。但是對于HotSpot虛擬機而言，方法區(qū)還有一個別名就叫做Non-Heap(非堆)，目的就是要和堆分開。因此，方法區(qū)可以看做是一塊獨立于Java堆的內(nèi)存空間

?? 方法區(qū)和java堆一樣，屬于是各個線程共享的區(qū)域

?? 方法區(qū)在Jvm啟動的時候被創(chuàng)建，他的物理內(nèi)存和堆一樣可以是不連續(xù)的

?? 方法區(qū)的大小和堆空間一樣，可以選擇固定大小或者可擴展

?? 方法區(qū)的大小決定了系統(tǒng)可以保存多少個類，如果系統(tǒng)定義了太多的類，導(dǎo)致方法區(qū)溢出，虛擬機同樣會拋出內(nèi)存溢出錯誤，如加載大量的第三方j(luò)ar包，Tomcat部署的工程過多，大量的動態(tài)反射類等

?? 關(guān)閉JVM之后，就會釋放這個區(qū)域的內(nèi)存

2，方法區(qū)的演進過程

這里主要是針對HotSpot虛擬機，在JDK8以前，習(xí)慣將方法區(qū)稱為永久代；從JDK8開始，使用了這個元空間取代了永久代。就相當于把這個方法區(qū)當成是一個接口，而永久代和元空間就是該接口的具體實現(xiàn)。

In JDK8,classes metadata is now stored in the navite heap and this space is called MetaSpace

方法區(qū)和這個永久代并不等價，《Java虛擬機規(guī)范》對如何實現(xiàn)方法區(qū)，不做統(tǒng)一的要求。

到了這個 JDK8 之后，終于完全廢棄了永久代的概念，改用JRockit、J9一樣在本地內(nèi)存中實現(xiàn)的元空間來代替。

元空間的本質(zhì)和永久代類似，都是JVM規(guī)范中方法區(qū)實現(xiàn)的，不過元空間與永久代最大的區(qū)別在于：元空間不在虛擬機設(shè)置的內(nèi)存中，而是使用的是本地內(nèi)存。

永久代和元空間二者不只是名字變了，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也調(diào)整了，根據(jù)《java虛擬機規(guī)范》的規(guī)定，如果方法區(qū)無法滿足新的內(nèi)存分配需求時，將拋出OOM異常。

3，方法區(qū)大小設(shè)置與OOM

方法區(qū)的大小不必是固定的，jvm可以根據(jù)應(yīng)用的需要動態(tài)調(diào)整。

3.1，方法區(qū)內(nèi)存大小的分配

在jdk1.8之前

?? 可以通過 -XX:PermSize 來設(shè)置永久代初始的分配空間，默認值為20.75M

?? 通過 -XX:MaxPermSize 來設(shè)置永久代最大的分配空間，32位機器默認是64M，64位機器為82M

?? 當JVM加載的類信息容量超過了這個值，會報異常OutOfMemoryError:PermGen

在jdk1.8及以后

?? 元數(shù)據(jù)區(qū)大小可以使用參數(shù) -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 設(shè)置原始值和最大值

?? 默認值依賴平臺，windows下 -XX:MetaspaceSize 為21M，-XX:MaxMetaspaceSize 為-1，即沒有限制

?? 默認情況下，虛擬機會耗盡所有內(nèi)存，如果元數(shù)據(jù)區(qū)溢出，虛擬機會拋異常OutofMemoryError:Metaspace

?? 當內(nèi)存高于設(shè)置的21M時，就會觸發(fā)Full GC，F(xiàn)ull GC就會卸載掉沒用的類

?? 因此建議將這個初始內(nèi)存設(shè)置一個相對較高的值，以免頻繁觸發(fā)Full GC

3.2，OOM的解決方案

• 要解決這些OOM異?；蛘遠eap space異常，一段手段是通過內(nèi)存印象分析工具堆dump出來的堆轉(zhuǎn)存儲快照進行分析，重點是確認內(nèi)存中的對象是否是必要的，也就是要分清楚是出現(xiàn)了內(nèi)存泄漏還是內(nèi)存溢出。
• 如果是內(nèi)存泄漏，可進一步通過工具查看泄漏對象到GC Roots的引用鏈，于是就能找到泄漏對象是通過怎樣的路徑與GC Roots相關(guān)聯(lián)。在掌握了泄漏對象的信息，以及GC Roots引用鏈之后，就可以準確的定位到泄漏代碼的位置了。
• 如果不存在內(nèi)存泄漏，換句話就是說內(nèi)存中的對象確實是還活著，那么就應(yīng)該檢查虛擬機的參數(shù)，與機器內(nèi)存相比看是否還可以調(diào)大，從代碼上檢查是否存在某些對象的生命周期過長，持有時間過長等情況，從而減少運行期間的內(nèi)存消耗。

4，方法區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.1，方法區(qū)存儲數(shù)據(jù)概述

在將 .java 文件編譯成 .class字節(jié)碼文件之后，這個字節(jié)碼文件是需要存儲的，而類本身的一些信息，則需要存儲在這個方法區(qū)里面，除了類信息之外，這個運行時常量池也是存儲在這個方法區(qū)里面的。

在《深入理解Java虛擬機》這本書中，對方法區(qū)存儲內(nèi)容的概述如下：它用于存儲已被虛擬機加載的類型信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼緩存等。 但是隨著JDK的不斷迭代，其內(nèi)存存儲的東西也會有著稍小的變化。

類型信息：對加載的類型，包括類class、接口interface、枚舉enum、注解annotation等，JVM必須在方法區(qū)中存儲以下類型

? 這個類型的完整有效名稱，全名就是 包名.類名

? 直接父類的完整有效名，interface和Object都是沒有父類的

? 這個類型的修飾符，如public、static、final、abstract

? 直接接口的一個有序列表，如這個類可能實現(xiàn)多個接口

屬性信息：域的相關(guān)信息主要包括以下：域名稱、域類型、域修飾符等

方法信息：方法信息主要包括一些方法名稱、返回類型、參數(shù)的數(shù)量和類型、方法的修飾符、方法的字節(jié)碼、局部變量表以及其大小、異常表等

4.2，static final

在靜態(tài)變量中，一般是隨著累的加載而加載，他們成為類數(shù)據(jù)在邏輯上的一部分，并且類變量被類所有的實例共享，即使類實例不存在也可以進行訪問。

而被聲明的final的類變量的處理方法則不同，該變量在編譯階段就會被分配了；而沒有被聲明final的類變量，在準備階段進行初步的賦值，在初始化階段進行一個最終的賦值。

如寫一個Java測試類，定義一個被final修飾的類變量和不被final修飾的類變量，并且這個類型為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型

public class Test {
    public static final int i = 10;
    public static  int k = 20;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(i+k);
    }
}

然后在編譯好的文件中，輸入反編譯命令，并將最終輸出的文件加載到zhs.txt文件中

javap -v -p Test.class > zhs.txt

接下來重點分析這兩個變量，可以發(fā)現(xiàn)這個加了final修飾的i，在編譯階段就進行了分配，賦值為10；而沒有加final修飾的k，在編譯階段沒有賦予默認值，而是在準備階段賦值的默認值，在初始化階段賦予的最終值

public static final int i;
  descriptor: I
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
  ConstantValue: int 10

public static int k;
  descriptor: I
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC

4.3，運行時常量池

4.3.1，什么是常量池

一個有效的字節(jié)碼文件除了包含類的版本信息、字段、方法以及接口等描述信息之外，還包含一項重要的信息，那就是常量池表（Constant Pool Table），其中包括各種字面量和對類型，字段和方法的符號引用，如下

Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#27         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #28.#29        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Class              #30            // com/fc/v2/util/Test
   #4 = Fieldref           #3.#31         // com/fc/v2/util/Test.k:I

一個Java源文件在編譯之后會產(chǎn)生一個字節(jié)碼文件，而字節(jié)碼文件需要數(shù)據(jù)支持，通常這種數(shù)據(jù)量很大不能直接存儲到字節(jié)碼文件里面，因此就通過常量池的方式，提前將數(shù)據(jù)存儲在常量池中，然后根據(jù)引用去獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)，如在棧幀的 動態(tài)鏈接 就是通過這種方式來獲取數(shù)據(jù)的。

在常量池中存儲的數(shù)據(jù)類型主要有：數(shù)量值，字符串值，類引用，字段引用，方法引用

常量池就可以看做成是一張表，虛擬機指令根據(jù)這張常量表找到執(zhí)行的類名、方法名、參數(shù)類型和字面量等類型。

4.3.2，什么是運行時常量池

上面提到了常量池，常量池是字節(jié)碼文件的一部分，用于存放編譯期生成的各個字面量和符號引用，這部分內(nèi)容在類加載之后存放到方法區(qū)的運行時常量池中；而運行時常量池是屬于方法區(qū)的一部分，接下來詳細的描述一下上面是運行時常量池

? 在將類和接口加載到虛擬機之后，就會創(chuàng)建對應(yīng)的運行時常量池

? JVM會為每個已加載的類型都維護一個常量池，池中的數(shù)據(jù)可以通過索引訪問

? 運行時常量池包含多種不同的常量，包括編譯期就已經(jīng)明確的數(shù)值，如棧幀的大小，以及運行期間才能獲取到的方法或者字段引用，此時不再是常量池中的符號地址#，而是具體的真實地址。

? 運行時常量池具備動態(tài)性，如實際大小可能比計算的大小大

? 當創(chuàng)建接口或者類的運行時常量池時，如果構(gòu)造的運行時常量池所需要的內(nèi)存空間超過了方法區(qū)所能提供的最大值，則JVM就會拋出OutOfMemoryError異常

5，方法區(qū)的使用

接下來查看一段簡單的代碼，如下

/**
 * @author zhenghuisheng
 * @date : 2023/4/4
 */
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 500;
        int y = 100;
        int a = x/y;
        int b = 50;
        System.out.println(a+b);
    }
}

然后編譯之后，通過jclasslib插件查看對應(yīng)的字節(jié)碼，在前面的章節(jié)又講如何安裝使用

其對應(yīng)的字節(jié)碼文件如下

 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

這個具體的操作流程如下，由于沒有new對象，因此在下圖中暫時先不展示堆空間。

首先程序計數(shù)器的記錄的地址為0，并將這個500這個數(shù)值壓入到操作數(shù)棧中。

然后就是這個istore_1，將操作數(shù)棧中存儲的值存儲到本地變量表中。而這個本地變量表，如果是實例方法或者是構(gòu)造方法，第一個數(shù)據(jù)存儲的應(yīng)該是this，而這里的是static的靜態(tài)方法，因此第一個slot存儲的不是this。

后續(xù)的操作和上面的一樣，這個iload_1就是將數(shù)據(jù)從本地變量本中取出來放到操作數(shù)棧頂，iload_2原理一樣，然后結(jié)果這個idiv除法運算，將結(jié)果5存放在本地變量表3的位置

隨后就是將50入棧，也存儲到本地變量表中4的位置，然后通過這個getstatic #2，就是獲取常量池中的#2的位置，然后最終可以獲取到這個System類，out類和對應(yīng)的type屬性，然后加載到方法區(qū)中。如果這些類或者屬性在方法區(qū)中存在就不會進行加載，如果不存在就會將這些加載到方法區(qū)中，然后將這些#等符號的間接引用變成地址的直接引用。

然后通過這個iload3和iload4將本地變量表的數(shù)據(jù)加載到操作數(shù)棧中

然后再經(jīng)過iadd計算，再調(diào)用這個invokevirtual #3的符號引用，最終可以定位到一個打印操作，最終return結(jié)束

通過上圖可以發(fā)現(xiàn)，無論是在哪一個操作，程序計數(shù)器都會指向?qū)?yīng)的執(zhí)行位置。

6，方法區(qū)的演進細節(jié)

在虛擬機中，只有HotSpot虛擬機才有永久代，JRockit和J9是不存在永久代的概念的。在HotSpot虛擬機的方法區(qū)變化如下(方法區(qū)是一種概念，永久代和元空間屬于具體實現(xiàn))：

• 在jdk6及以前：有永久代，靜態(tài)變量存放在永久代上面
• 在jdk7中：有永久代，但逐步去除，字符串常量池、靜態(tài)變量保存在堆中
• 在jdk8及以后：無永久代，類型信息、字段、方法、常量保存在本地內(nèi)存的元空間中，字符串常量池和靜態(tài)變量在堆中

6.1，方法區(qū)的具體實現(xiàn)以及內(nèi)部組成的演進

jdk6的方法區(qū)的組成如下，也稱為永久代，其靜態(tài)變量，運行時常量池，字符串常量池等都是保存在這個永久代的里面，并且字符串常量池是屬于運行時常量池的一部分

而在jdk7開始，就將字符串常量池和靜態(tài)變量存放在堆里面

而從jdk8開始，永久代已經(jīng)不存在了，取而代之的是本地內(nèi)存的 元空間，會將運行時常量池，類信息等全部存儲在本地內(nèi)存中，并且靜態(tài)變量和字符串常量池都是存儲在堆中

在官方文檔中https://openjdk.org/jeps/122，也提到過這個刪除這個永久代的動機，如下，主要就是說參考了這個 JRockit 內(nèi)部的實現(xiàn)，這樣用戶可以不必自己去配置這個永久代。這樣這塊空間可以不用jvm本身去管理，從而交給本地內(nèi)存區(qū)實現(xiàn)。

This is part of the JRockit and Hotspot convergence effort. JRockit customers do not need to configure the permanent generation (since JRockit does not have a permanent generation) and are accustomed to not configuring the permanent generation.

其實這項改動還是很有必要的，接下來從兩個方面來說明為啥要替換

• 永久代的空間大小設(shè)置是很難確定的，在某些場景下，如果動態(tài)的加載類過多，就很容易出現(xiàn)OOM，比如一些Web項目。而元空間和永久代之間最大的區(qū)別在于：元空間不在虛擬機中，而是使用的是本地內(nèi)存，因此元空間的大小只受本地內(nèi)存限制
• 永久代的調(diào)優(yōu)比較困難

6.2，字符串常量池為何要存儲到堆中

在jdk7的時候，將靜態(tài)變量和字符串常量池都存儲到了堆中，其主要原因是在永久代中，其觸發(fā)的回收效率很低，在full gc的時候才會觸發(fā)。而full gc的老年代空間不足，或者永久代空間不足時才會觸發(fā)，因此這就導(dǎo)致了這個字符串常量池的回收率不高。

而在如今的開發(fā)中，可能會創(chuàng)建大量的字符串，如果還是存儲在方法區(qū)內(nèi)部，那么其回收率會比較低，很容易導(dǎo)致永久代的內(nèi)存不足，因此選擇將這個字符串常量池存放到堆中，這樣就可以快速的實現(xiàn)內(nèi)存回收。

7，方法區(qū)的垃圾回收機制

在運行時數(shù)據(jù)區(qū)中，方法區(qū)又被稱為non-heap，就是非堆的意思。并且在《java虛擬機規(guī)范》中描述，對方法區(qū)中的約束是非常寬松的，提到過不要求虛擬機在方法區(qū)中實現(xiàn)垃圾回收

一般來說這個區(qū)域的回收效果比較難令人滿意，但是有時又確實是有必要的，因此在HotSpot虛擬機中，方法區(qū)的垃圾回收主要是回收兩部分內(nèi)容：常量池中廢棄的常量和不再使用的類型

常量回收的策略就是只要該常量沒有被任何地方引用，就可以被回收，回收廢棄常量和回收Java堆的對象非常類似

類型回收的條件相對比較苛刻，需要同時的滿足以下三點條件：

• 該類的實例被回收，該類以及對應(yīng)的子類在堆中不存在
• 該類的類加載器已被回收
• 該類的Class對象沒有任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問到該類

滿足這三點條件也不是一定會進行回收，而是可能被允許回收。在大量的使用反射、動態(tài)代理、CGLib這些字節(jié)碼框架，動態(tài)生成Jsp等這些場景中，通常需要java虛擬機具備類型卸載的能力，以保證不會對方法區(qū)造成過大的壓力。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-406782.html

到了這里，關(guān)于【jvm系列-05】精通運行時數(shù)據(jù)區(qū)共享區(qū)域---方法區(qū)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！