JVM详解（五）——运行时数据区-方法区

一、概述

1、介绍

　　《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 JVM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，方法区看作是一块独立于Java堆的内存空间。官方文档：

　　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和Java堆区一样，可以是不连续的。方法区的大小和堆一样，可选择固定大小或可扩展。方法区的大小决定了系统可以保持多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区溢出，会报OOM。比如：加载大量的第三方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，会释放这个区域的内存。

2、栈、堆、方法区的交互关系

3、方法区的演进

　　把方法区理解成接口，永久代和元空间是这个接口的落地实现。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。二者最大的区别是：元空间不在虚拟机设置的内存中，而是使用本地内存。
　　本质上，方法区和永久代并不等价，仅是对HotSpot而言的。《Java虚拟机规范》对如何实现方法区，不做统一要求，像BEA JRockit，IBM J9中不存在永久代。
　　如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将报OOM。现在来看，当年使用永久代，不是好的idea，导致Java程序更容易OOM（超过-XX:MaxPermSize上限）。

4、设置方法区大小与OOM

　　方法区的大小不是固定的，可以动态调整。
　　JDK7及以前：
　　-XX:PerSize来设置永久代初始空间大小。默认值是20.75M
　　-XX:MaxPerSize来设置永久代最大空间大小。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这个值，会报OOM：PerGen space
　　JDK8及以后：
　　元空间的大小可以使用-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize指定。
　　Windows下，-XX:MetaspaceSize=约21M，-XX:MaxMetaspaceSize=-1，即没有限制。默认值依赖平台。对于一个64位的服务器端JVM来说，默认-XX:MetaspaceSize=21M。一旦触及这个水位线，Full GC将会触发，并卸载没用的类（即这些类对应的类加载器不再存活）。然后这个水位线将会重置，新的水位线的值取决于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。
　　如果初始的水位线设置过低，上述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FC，建议将初始值设置为一个相对较高的值。
　　代码示例：方法区OOM

// jdk6/7中：
// -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m

// jdk8中：
// -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
public class OOMTest extends ClassLoader {
    public static void main(String[] args) {
        int j = 0;
        try {
            OOMTest test = new OOMTest();
            for (int i = 0; i < 10_000; i++) {
                // 创建ClassWriter对象，用于生成类的二进制字节码
                ClassWriter classWriter = new ClassWriter(0);
                // 指明版本号，修饰符，类名，包名，父类，接口
                classWriter.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);

                byte[] code = classWriter.toByteArray();

                // 类的加载
                // Class对象
                test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length);

                j++;
            }
        } finally {
            System.out.println(j);
        }
    }
}

// 不设置参数
// 10000.无报错.使用动态的方法区,元空间.
// 在元空间创建并加载了10000个类.元空间做了一个动态的扩展.

// JDK8设置参数
// 8466.
// Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

　　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，也就是要分清楚到底是出现了内存泄漏（Memory 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到引用链。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，就可以比较准确的定位出泄漏代码的位置。
　　（3）如果不存在内存泄漏，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，-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。

二、方法区的内部结构

1、介绍

　　《深入理解Java虚拟机》书中对方法区存储内容描述如下：它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编辑器编译后的代码缓存等。

　　注意：这里只是一个经典的结构图，不完全正确。因为在jdk7以后，静态变量，运行时常量池里面的字符串常量池有变化，不再放在方法区了，而是放在了堆空间，这个后面会提到（看图）。

2、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）这个类型的完整类路径（包名.类名）。
　　（2）这个类型直接父类的完整类路径。
　　（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。
　　类型信息里记录了，这个类是使用哪个类加载器加载进来的。

3、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）。

4、方法信息

　　JVM必须保存所有方法以下信息，同域信息一样包括声明顺序：
　　（1）方法名称。
　　（2）方法的返回类型（或void）。
　　（3）方法的参数列表。
　　（4）方法的修饰符（public、private、protected、static、final、synchronized、native、abstract的某个子集）。
　　（5）方法的字节码、操作数栈、局部变量表及大小（abstract和native方法除外）。
　　（6）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。
　　代码示例：方法区的内部构成

public class Main extends Object implements Comparable<String>, Serializable {
    //属性
    public int num = 10;
    private static String str = "测试方法的内部结构";
    
    public void test1() {
        int count = 20;
        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;
    }
}

javap -v -p Main.class > temp.txt

// 解析后的字节码文件.(删掉了部分无关的信息)
Classfile /D:/workspace/Java/myweb/target/classes/com/lx/myweb/Main.class
  Last modified 2020-10-6; size 1670 bytes
  MD5 checksum 54aed047bf420df2ddb06256a1ed4a33
  Compiled from "Main.java"

// 类型信息
public class com.lx.myweb.Main extends java.lang.Object implements java.lang.Comparable<java.lang.String>, java.io.Serializable
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

// 常量池.#1：符号引用
Constant pool:
   #1 = Methodref          #18.#53        // java/lang/Object."<init>":()V
……
  #85 = Utf8               printStackTrace
{
    
// 域信息
  public int num;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC

  private static java.lang.String str;
    descriptor: Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC

// 方法信息(构造器)
  public com.lx.myweb.Main();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: bipush        10
         7: putfield      #2                  // Field num:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 8: 4
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      11     0  this   Lcom/lx/myweb/Main;

// 方法信息
  public void test1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=2, args_size=1
         0: bipush        20
         2: istore_1
         3: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         6: new           #4                  // class java/lang/StringBuilder
         9: dup
        10: invokespecial #5                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        13: ldc           #6                  // String count =
        15: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        18: iload_1
        19: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
        22: invokevirtual #9                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
        25: invokevirtual #10                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        28: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 3
        line 14: 28
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      29     0  this   Lcom/lx/myweb/Main;
            3      26     1 count   I

// 方法信息
  public static int test2(int);
    descriptor: (I)I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: iconst_0
         1: istore_1
         2: bipush        30
         4: istore_2
         5: iload_2
         6: iload_0
         7: idiv
         8: istore_1
         9: goto          17
        12: astore_2
        13: aload_2
        14: invokevirtual #12                 // Method java/lang/Exception.printStackTrace:()V
        17: iload_1
        18: ireturn
      Exception table:
         from    to  target type
             2     9    12   Class java/lang/Exception
      LineNumberTable:
        line 17: 0
        line 19: 2
        line 20: 5
        line 23: 9
        line 21: 12
        line 22: 13
        line 24: 17
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            5       4     2 value   I
           13       4     2     e   Ljava/lang/Exception;
            0      19     0   cal   I
            2      17     1 result   I
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 12
          locals = [ int, int ]
          stack = [ class java/lang/Exception ]
        frame_type = 4 /* same */
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      cal

// 子类方法信息
  public int compareTo(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=2
         0: iconst_0
         1: ireturn
      LineNumberTable:
        line 29: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       2     0  this   Lcom/lx/myweb/Main;
            0       2     1     o   Ljava/lang/String;
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      o

// 父类方法信息
  public int compareTo(java.lang.Object);
    descriptor: (Ljava/lang/Object;)I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_BRIDGE, ACC_SYNTHETIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: checkcast     #13                 // class java/lang/String
         5: invokevirtual #14                 // Method compareTo:(Ljava/lang/String;)I
         8: ireturn
      LineNumberTable:
        line 6: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  this   Lcom/lx/myweb/Main;
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      o                              synthetic

// 静态变量信息
  static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: ldc           #15  // String 测试方法的内部结构
         2: putstatic     #16  // Field str:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
}
Signature: #50  // Ljava/lang/Object;Ljava/lang/Comparable<Ljava/lang/String;>;Ljava/io/Serializable;
SourceFile: "Main.java"

5、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，也可访问。
　　代码示例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Order order = null;
        order.method();

        System.out.println(order.count);
    }
}

class Order {
    public static int count = 1;

    public static void method() {
        System.out.println("count = " + count);
    }
}

// IDEA会提示有编译错误.但是直接执行不会报错,不会有空指针.
// count = 1
// 1

6、final的类变量：全局常量

　　被声明为 final static 的变量的处理方法不同，每个全局常量在编译的时候就被分配了。
　　代码示例：

public class Main {

    public static int count = 1;
    public static final int num = 100;

    public static void method() {
        System.out.println("count = " + count);
    }
}

javap -v -p Main.class > temp.txt

// 解析后的字节码文件.(删掉了部分无关的信息)
{
  public static int count;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC

  public static final int num;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
    ConstantValue: int 100  // 声明为final的静态变量在编译时就有值了
}

7、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。要理解方法区，就需要理解清楚字节码文件，因为加载类的信息都在方法区。要理解方法区的运行时常量池，就需要理解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，就是常量池（constant pool），包括各种字面量和对类型、域、方法的符号引用。
　　（1）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。
　　代码示例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}

　　这里面使用了String、System、PrintStream及Object等结构。这里代码量已经很小了，如果代码多，引用到的结构会更多，就需要常量池了！
　　（2）常量池中有什么？
　　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。

8、运行时常量池

　　运行时常量池是方法区的一部分。
　　常量池表（Constant Pool）是Class文件的一部分，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。
　　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。
　　运行时常量池类似于传统编程语言中的符号表，但是它所包含的数据却比符号表要更加丰富一些。
　　字节码文件中的常量池经过类加载器加载放到方法区以后，对应的结构就称为运行时常量池。

三、方法区的使用举例

　　代码示例：方法区使用举例

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 500;
        int y = 100;
        int a = x / y;
        int b = 50;
        System.out.println(a + b);
    }
}

　　下面讲解在程序执行的过程中，main方法的指令在一个一个执行的过程当中，程序计数器，虚拟机栈之间的协作关系。由于没有new对象，就不看堆空间的情况了。

四、方法区的演进细节（重要）

1、介绍

　　首先明确，只有HotSpot才有永久代，BEA JRockit，IBM J9中不存在永久代。方法区如何实现属于虚拟机实现细节，《Java虚拟机规范》并不要求统一。
　　JDK6及以前、JDK7、JDK8及以后，方法区的变化：

　　StringTable，字符串常量池。
　　注意：JDK7，此时的方法区（永久代）还是用的虚拟机的内存，和本地内存还有一个映射的概念。JDK8用的本地内存，不再使用虚拟机的内存。

2、永久代为什么被元空间替换？

　　官网给的理由是因为 JRockit 没有，为了整合JRockit和Hotspot，所以去掉了。这里也很明确的可以看到，将字符串常量池与静态变量移动到堆中。

　　http://openjdk.java.net/jeps/122

　　随着Java8 的到来，HotSpot VM中再也见不到永久代了。但这并不意味着类的元数据信息消失了，这些数据被移到了一个与堆不相连的本地内存区域，这个区域叫元空间。
　　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。这项变动是很有必要的，原因：
　　（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。对永久代的 Full GC 需要去判断这个类或者这个常量，不再被使用了，也挺花时间的。所以调优也会变得很困难。

3、StringTable（字符串常量池）为什么要调整位置？

　　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。而开发中会有大量的字符串被创建，回收效率低，将导致永久代内存不足，放到堆里，能及时回收内存。

4、如何证明静态变量存在哪？

　　代码示例：

// jdk7：-Xms200m -Xmx200m -XX:PermSize=300m -XX:MaxPermSize=300m -XX:+PrintGCDetails
// jdk8：-Xms200m -Xmx200m -XX:MetaspaceSize=300m -XX:MaxMetaspaceSize=300m -XX:+PrintGCDetails
public class Main {
    // 100MB
    private static byte[] arr = new byte[1024 * 1024 * 100];

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Main.arr);

//        try {
//            Thread.sleep(1000_000);
//        } catch (InterruptedException e) {
//            e.printStackTrace();
//        }
    }
}

　　结果：基于jdk8。jdk6，jdk7没有演示。

　　结论：jdk6,7,8，静态引用对应的对象实体始终都存在堆空间。
　　注意：这里指的new的对象实体，始终都在堆空间中。上面（图示）指的变化，是静态变量 arr 这个变量名。
　　那么如何验证呢？
　　案例：一个静态属性，一个非静态属性，一个局部变量。这三个变量的对象放在哪？ 这三个变量本身放在哪？这是《深入理解Java虚拟机》中的案例，staticObj、instanceObj、localObj存放在哪里？
　　代码示例：

// staticObj、instanceObj、localObj存放在哪里？
public class StaticObjTest {

    static class Test {
        static ObjectHolder staticObj = new ObjectHolder();
        ObjectHolder instanceObj = new ObjectHolder();

        void foo() {
            ObjectHolder localObj = new ObjectHolder();
            System.out.println("done");
        }
    }

    private static class ObjectHolder {
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new StaticObjTest.Test();
        test.foo();
    }
}

　　这里需要使用一个工具，JHSDB，这个工具JDK9才有。结论：

　　这三个地址都在eden区，也就是在堆中。也就证明了这三个对象实体都在堆中。即：只要是new出来的对象实体都在堆中。

五、方法区的垃圾回收

1、介绍

　　《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。

2、回收内容

　　方法区常量池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。
　　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。

3、判定需要回收

4、小结

　　方法区要不要垃圾回收？Java虚拟机规范中没有明说，可以回收，也可以不回收。平时说的HotSpot是要的。
　　回收的话，主要针对的是什么？不再使用的类型信息，运行时常量池中废弃的常量。

　　动态链接，指向了运行时常量池当前方法的引用。