方法区

目录

• 6.方法区
  • 6.1栈、堆、方法区的交互关系
  • 6.2方法区的理解
  • 6.3设置方法区大小与OOM
  • 6.4方法区的内部结构
    • 类型信息
    • 域（Field）信息
    • 方法（Method）信息
    • non-final的类常量
    • 全局常量
  • 常量池
  • 6.5方法区的演进细节
    • 永久代为什么要被元空间替换？
    • String Table为什么要调整？
  • 6.6方法区的垃圾回收

6.方法区

6.1栈、堆、方法区的交互关系

6.2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HotSpot JVM而言，方法区还有一个别名叫Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分开。所以，方法区看作是一块独立于Java堆的内存空间。

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:Metaspace（Java8）或 java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space（Java7），如：加载大量的第三方jar包；Tomcat部署的工程过多；大量动态的生成反射类。

关闭JVM就会释放这个区域的内存。

HotSpot方法区的演进：

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。

JDK6：

JDK7：

JDK8：

6.3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位机器默认是82M

当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报异常：OutOfMemoryError:PermGen Space

JDK8及以后：

元数据区大小可以使用参数 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 指定，替代上述原有的两个参数。

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。

于永久代不同，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GC，建议将 -XX:MetaspaceSize设置为一个相对较高的值。

如何解决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（Momory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）。

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于GC Roots相关联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者，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。

6.4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、常量、静态变量、即使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

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

non-final的类常量

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，即使没有类实例时也可以访问它。

public class MethodAreaTest {
    public static void main(String[] args) {
        Order order = null;
        order.hello();
        System.out.println(order.count);
    }
}
class Order {
    public static int count = 1;
    public static void hello() {
        System.out.println("hello!");
    }
}

全局常量

被声明为final的类变量的处理方法则不同，每个全局常量（final static 修饰的）在编译的时候就会被分配了。

常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），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。

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。

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、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。如以下代码：

public class SimpleClass {
    public void sayHello() {
        System.out.println("hello");
    }
}

编译后的字节码文件只有194字节，但是里面却引用了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。

常量池中有什么？

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

如：

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

将会被编译成如下字节码：

0:		new #2			 // Class java/lang/Object
1:		dup
2:		invokespecial #3	 // Method java/lang/Object "<init>"() V

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执行的类名、方法名、参数类型、字面量等类型。

6.5方法区的演进细节

1.首先明确：只有HotSpot才有永久代。BEA JRockit、IBM J9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。

2.HotSpot中方法区的变化：

JDK	说明
jdk1.6及之前	有永久代（permanent generation），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

永久代为什么要被元空间替换？

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）。

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。

2）对永久代进行调优是很困难的

String Table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。

6.6方法区的垃圾回收

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Java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，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。关于是否对类进行回收，HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以用-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、GCLib等字节码框架，动态生成JSP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。

常见面试题：

1.说一下JVM内存模型，有哪些区？分别干什么的？
2.Java8的内存分代改进
3.JVM内存分哪几个区，每个区的作用是什么？
4.JVM内存分布、内存结构？栈和堆的区别？堆的结构？为什么两个survivor区？
5.Eden和Survior的比例分配
6.jvm内存分区，为什么要有新生代和老年代？
7.讲讲jvm运行时数据区
8.什么时候对象会进入老年代？
9.jvm的内存结构，Eden和Survivor比例
10.jvm内存为什么要分成新生代、老年代、持久代。新生代中为什么要分为Eden和Survivor
11.jvm内存模型以及分区，需要详细到每个区放什么
12.jvm的内存模型，java8做了什么修改
13.jvm内存分哪几个区，每个区的作用是什么？
14.jvm的永久代中会发生垃圾回收吗？