深入理解JVM虚拟机——Java内存模型结构之搞懂方法区

Java
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2023-06-13
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标签   虚拟机 JVM

方法区（Method Area） 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型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然《 java 虚拟机规范》中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作“非堆”（Non-Heap），目的是与Java堆区分开来。

目录

  • 栈、堆、方法区的交互关系
  • 方法区的理解
  • 设置方法区大小与 OOM
  • 方法区的内部结构
  • 方法区使用举例
  • 方法区的演进细节
  • 方法区垃圾回收

栈、堆、方法区的交互关系

栈、堆、方法区的交互关系

代码演示 

 public class AppMain {                         //运行时， JVM 把AppMain的信息都放入方法区    

    public  static   void  main(String[] args) { //main成员方法本身放入方法区。    
        Sample test = new  Sample( " 测试1 " );   //test1是引用，所以放到栈区里，Sample是自定义对象应该放到堆里面    
        Sample test = new  Sample( " 测试2 " );         
        test.printName();    
        test.printName();    
    }
}   
 // Sample.java       
public class Sample {   //运行时，JVM把appmain的信息都放入方法区。            

     private   name;      //new Sample实例后，name引用放入栈区里，name对象放入堆里。     

    public  Sample(String name) {    
        this .name = name;    
    }          
        
    public   void  printName() {// printName()成员方法本身放入方法区里。    
        System.out.println(name);    
    }    
}

JVM执行具体流程

  1. 系统收到了我们发出的指令，启动了一个 Java虚拟机 进程，这个进程首先从 classpath 中找到AppMain. class文件 ，读取这个文件中的 二进制 数据，然后把Appmain类的类信息存放到运行时数据区的方法区中。这一过程称为AppMain类的加载过程。
  2. 接着，JVM定位到方法区中AppMain类的Main()方法的字节码，开始执行它的指令。
  3. 这个main()方法的第一条语句就是：
  4. Sample test1 = new Sample(“测试1”);
  5. 语句很简单，就是让JVM创建一个Sample实例，并且呢，使引用变量test1引用这个实例 貌似小case一桩哦，就让我们来跟踪一下JVM，看看它究竟是怎么来执行这个任务的:
2）、Sample类的相关信息加载完成后。Java虚拟机做的第一件事情就是在堆中为一个新的Sample类的实例分配内存，这个Sample类的实例持有着指向方法区的Sample类的类型信息的引用（Java中引用就是内存地址）。这里所说的引用，实际上指的是Sample类的类型信息在方法区中的内存地址，其实，就是有点类似于 C语言 里的指针啦~~，而这个地址呢，就存放了在Sample类的实例的数据区中。
3）、在JVM中的一个进程中，每个线程都会拥有一个方法调用栈，用来跟踪线程运行中一系列的方法调用过程，栈中的每一个元素被称为栈帧，每当线程调用一个方法的时候就会向方法栈中压入一个新栈帧。这里的帧用来存储方法的参数、局部变量和运算过程中的临时数据。OK，原理讲完了，就让我们来继续我们的跟踪行动！位于“=”前的test1是一个在main()方法中定义的变量，可见，它是一个 局部变量 ，因此，test1这个局部变量会被JVM添加到执行main()方法的主线程的Java方法调用栈中。而“=”将把这个test1变量指向堆区中的Sample实例，也就是说，test1这个局部变量持有指向Sample类的实例的引用（即内存地址）。
4）、JVM将继续执行后续指令，在堆区里继续创建另一个Sample类的实例，然后依次执行它们的printName()方法。当JVM执行test1.printName()方法时，JVM根据局部变量test1持有的引用，定位到堆中的Sample类的实例，再根据Sample类的实例持有的引用，定位到方法区中Sample类的类型信息（包括①类，②静态变量，③ 静态方法 ，④常量和⑤成员方法），从而获取printName()成员方法的字节码，接着执行printName()成员方法包含的指令。

方法区的理解

在《Java虚拟机规范》中明确说明，“尽管所有的方法区在逻辑上属于堆的一部分，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 虚拟机而言，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，方法区可以看做是一块独立于 Java 堆的内存空间。

深入理解JVM虚拟机——Java内存模型结构之搞懂方法区 运行时数据区

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 . OutOfMemory Error: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
  • 关闭JVM就会释放这个区域的内存。


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。

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。

深入理解JVM虚拟机——Java内存模型结构之搞懂方法区

jdk 8以后

元数据 区大小可以使用参数 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize指定，注意等于号，是赋值操作。

深入理解JVM虚拟机——Java内存模型结构之搞懂方法区

默认值依赖于平台 。windows下，-XX:MetaspaceSize是21M（约数），-XX:MaxMetaspaceSize的值是-1，即没有限制。

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，Ful1GC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Ful1GC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Ec1ipse 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 （Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）
2. 内存泄漏就是 有大量的引用指向某些对象，但是这些对象以后不会使用了，但是因为它们还和GC ROOT 有关联，所以导致以后这些对象也不会被回收，这就是内存泄漏的问题
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GCRoots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GCRoots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。


方法区的内部结构


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

域（Field）信息

  • JVM必须在方法区中保存类型的所有域（field，也称为属性）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 （ byte codes）、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

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。

我们可以通过例子来查看： 

 public class MethodAreaDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Order order = null;
        order.hello();
        System.out.println(order.count);
    }
}

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

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

运行结果为： 

 hello!

可以打开 IDEA 的 Terminal 窗口，在 MethodAreaDemo2.class 所在的路径下，输入 javap -v -p MethodAreaDemo2.class 命令

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通过图片我们可以看出被声明为 final 的 类变量 的处理方法是不一样的，全局常量在编译的时候就被分配了。

运行时常量池

说到运行时常量池，我们先来了解一下什么是常量池表。

常量池表

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），里边存储着 数量值 、 字符串 值 、 类引用 、 字段引用 和 方法引用 。

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为什么字节码文件需要常量池？

java 源文件中的类、接口，编译后会产生一个字节码文件。而字节码文件需要数据支持，通常这种数据会很大，以至于不能直接存放到字节码中。换一种方式，可以将指向这些数据的 符号引用 存到字节码文件的常量池中，这样字节码只需使用常量池就可以在运行时通过 动态链接 找到相应的数据并使用。

运行时常量池

运行时常量池（ Runtime Constant Pool ）是方法区的一部分，类加载器加载字节码文件时，将常量池表加载进方法区的运行时常量池。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，相对于 Class 文件常量池的另一重要特征是：具备动态性，比如 String .intern() 。


演进细节

针对的是 Hotspot 的虚拟机：

  • 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、静态变量仍在堆中；

演变示例图

深入理解JVM虚拟机——Java内存模型结构之搞懂方法区

深入理解JVM虚拟机——Java内存模型结构之搞懂方法区

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为什么要将永久代替换为元空间呢?

  1. 永久代使用的是 JVM 的内存，受 JVM 设置的内存大小限制；元空间使用的是本地直接内存，它的最大可分配空间是系统可用内存的空间。因为元空间里存放的是类的 元数据 ，所以随着内存空间的增大，能加载的类就更多了，相应的溢出的机率会大大减小。
  2. 在 JDK8，合并 HotSpot 和 JRockit 的代码时， JRockit 从来没有一个叫永久代的东西，合并之后就没有必要额外的设置这么一个永久代的地方了。
  3. 对永久代进行调优是很困难的。

StringTable 为什么要调整

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。

垃圾回收

相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入方法区后就“永久存在”了。方法区的垃圾收集主要回收两部分内容：常量池中废奔的 常量 和不再使用的 类型 。

方法区内常量池中主要存放字面量和符号引用两大类常量：

  • 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。
  • 符号引用则属于编译原理方面的概念，包括类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、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。

类型判定

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，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 虛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。

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