16-方法区

作者: 紫荆秋雪_文 | 来源:发表于2021-04-30 15:58 被阅读0次

16-方法区
2019-07-08 Java面试题
方法区
方法区
JAVA内存模型与结构
JVM永久区的简单理解
问题精选-JVM
JVM内存结构
李善友课程笔记16-乔布斯如何跨越非连续性？
JVM 垃圾收集器与内存分配策略

一、栈、堆、方法区

image.png

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的错误：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen Space 或者 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
关闭JVM就会释放方法区
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。
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。 JDK7方法区.png
JDK8完全废弃了永久代的概念，用元空间来代替 JDK8方法区.png
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

二、设置方法区大小与OOM

1、JDK7及以前

设置永久代初始分配空间，默认值为20.75M

-XX:PermSize

设定永久代最大可分配空间。32位机默认是64M，64位机默认82M

-XX:MaxPermSize

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

2、JDK8及以后

元数据区大小可以使用参数

-XX:MetaspaceSize
-XX:MaxMetaspaceSize

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
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21M。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子可以观察到Full GC多次调用。为了避免频繁的GC，建议将MetaspaceSize设置为一个相对较高的值

三、方法区内部结构

image.png

3.1、方法区中存储什么

《深入理解 Java 虚拟机》一书中对方法区（Method Area）存储内容描述如下：方法区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

方法区中存储内容.png

3.1.1、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

3.1.2、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）

3.1.3、方法（Method）信息

JVM必须保存所有方法的一下信息，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）
方法参数的数量或类型（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

3.1.4、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，即使没有类实例时你也可以访问它

3.1.5、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会被分配了

方法区的内部结构

code

/**
 * 方法区的内部结构
 */
public class MethodAreaTest extends Object
        implements IMethodArea1, IMethodArea2  {

    // 属性
    public int num = 10;
    private static String str = "方法区的内部结构";

    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;
    }

    public static void main(String[] args) {

    }
    @Override
    public void getMethodArea1() {
        System.out.println("MethodArea1");
    }

    @Override
    public void getMethodArea2() {
        System.out.println("MethodArea2");
    }
}

反编译命令

javap -v -p MethodAreaTest

反编译内容到文件

javap -v -p MethodAreaTest > MethodAreaTest.txt

反编译内容(MethodAreaTest.txt)

Classfile /Users/zijingqiuxue/Desktop/Code/Code_2021/JVM/07_MethodAreaTest/out/production/07_MethodAreaTest/com/lkty/method/MethodAreaTest.class
  Last modified 2021-5-1; size 1607 bytes
  MD5 checksum 72c10a1ecdbdf862a2bd852ca8d52dca
  Compiled from "MethodAreaTest.java"

// TODO: 全限定类名
public class com.lkty.method.MethodAreaTest 
      implements com.lkty.method.IMethodArea1,com.lkty.method.IMethodArea2
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

// TODO: 常量池
Constant pool:
   #1 = Methodref          #18.#52        // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #17.#53        // com/lkty/method/MethodAreaTest.num:I
   #3 = Fieldref           #54.#55        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #4 = Class              #56            // java/lang/StringBuilder
   #5 = Methodref          #4.#52         // java/lang/StringBuilder."<init>":()V
   #6 = String             #57            // count=
   #7 = Methodref          #4.#58         // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   #8 = Methodref          #4.#59         // java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
   #9 = Methodref          #4.#60         // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
  #10 = Methodref          #61.#62        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #11 = Class              #63            // java/lang/Exception
  #12 = Methodref          #11.#64        // java/lang/Exception.printStackTrace:()V
  #13 = String             #65            // MethodArea1
  #14 = String             #66            // MethodArea2
  #15 = String             #67            // 方法区的内部结构
  #16 = Fieldref           #17.#68        // com/lkty/method/MethodAreaTest.str:Ljava/lang/String;
  #17 = Class              #69            // com/lkty/method/MethodAreaTest
  #18 = Class              #70            // java/lang/Object
  #19 = Class              #71            // com/lkty/method/IMethodArea1
  #20 = Class              #72            // com/lkty/method/IMethodArea2
  #21 = Utf8               num
  #22 = Utf8               I
  #23 = Utf8               str
  #24 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #25 = Utf8               <init>
  #26 = Utf8               ()V
  #27 = Utf8               Code
  #28 = Utf8               LineNumberTable
  #29 = Utf8               LocalVariableTable
  #30 = Utf8               this
  #31 = Utf8               Lcom/lkty/method/MethodAreaTest;
  #32 = Utf8               test1
  #33 = Utf8               count
  #34 = Utf8               test2
  #35 = Utf8               (I)I
  #36 = Utf8               value
  #37 = Utf8               e
  #38 = Utf8               Ljava/lang/Exception;
  #39 = Utf8               cal
  #40 = Utf8               result
  #41 = Utf8               StackMapTable
  #42 = Class              #63            // java/lang/Exception
  #43 = Utf8               main
  #44 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #45 = Utf8               args
  #46 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #47 = Utf8               getMethodArea1
  #48 = Utf8               getMethodArea2
  #49 = Utf8               <clinit>
  #50 = Utf8               SourceFile
  #51 = Utf8               MethodAreaTest.java
  #52 = NameAndType        #25:#26        // "<init>":()V
  #53 = NameAndType        #21:#22        // num:I
  #54 = Class              #73            // java/lang/System
  #55 = NameAndType        #74:#75        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #56 = Utf8               java/lang/StringBuilder
  #57 = Utf8               count=
  #58 = NameAndType        #76:#77        // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #59 = NameAndType        #76:#78        // append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
  #60 = NameAndType        #79:#80        // toString:()Ljava/lang/String;
  #61 = Class              #81            // java/io/PrintStream
  #62 = NameAndType        #82:#83        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #63 = Utf8               java/lang/Exception
  #64 = NameAndType        #84:#26        // printStackTrace:()V
  #65 = Utf8               MethodArea1
  #66 = Utf8               MethodArea2
  #67 = Utf8               方法区的内部结构
  #68 = NameAndType        #23:#24        // str:Ljava/lang/String;
  #69 = Utf8               com/lkty/method/MethodAreaTest
  #70 = Utf8               java/lang/Object
  #71 = Utf8               com/lkty/method/IMethodArea1
  #72 = Utf8               com/lkty/method/IMethodArea2
  #73 = Utf8               java/lang/System
  #74 = Utf8               out
  #75 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #76 = Utf8               append
  #77 = Utf8               (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #78 = Utf8               (I)Ljava/lang/StringBuilder;
  #79 = Utf8               toString
  #80 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #81 = Utf8               java/io/PrintStream
  #82 = Utf8               println
  #83 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #84 = Utf8               printStackTrace
{
  // TODO: 属性
  public int num;
    descriptor: I // int类型
    flags: ACC_PUBLIC // 修饰符

  // TODO: 属性
  private static java.lang.String str;
    descriptor: Ljava/lang/String;  // String类型
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC  // 修饰符

  // TODO: 构造器
  public com.lkty.method.MethodAreaTest();
    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 10: 4
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      11     0  this   Lcom/lkty/method/MethodAreaTest;


  // TODO: 方法 test1
  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 14: 0
        line 15: 3
        line 16: 28
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      29     0  this   Lcom/lkty/method/MethodAreaTest;
            3      26     1 count   I

  // TODO: 方法 test2
  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
      
      // TODO: 方法 异常
      Exception table:
         from    to  target type
             2     9    12   Class java/lang/Exception
      LineNumberTable:
        line 19: 0
        line 21: 2
        line 22: 5
        line 26: 9
        line 24: 12
        line 25: 13
        line 28: 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 */

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
         0: return
      LineNumberTable:
        line 33: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       1     0  args   [Ljava/lang/String;

  public void getMethodArea1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #13                 // String MethodArea1
         5: invokevirtual #10                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 36: 0
        line 37: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  this   Lcom/lkty/method/MethodAreaTest;

  public void getMethodArea2();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #14                 // String MethodArea2
         5: invokevirtual #10                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 41: 0
        line 42: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  this   Lcom/lkty/method/MethodAreaTest;

  static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: ldc           #15                 // String 方法区的内部结构
         2: putstatic     #16                 // Field str:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 11: 0
}
SourceFile: "MethodAreaTest.java"

3.2、运行时常量池&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、域和方法的符号引用

3.3、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。

3.3.1、常量池中存储

数量值
字符串值
类引用
字段引用
方法引用

3.3.2、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要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等类型

3.3.3、运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分
常量池表（Constant Pool Table）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
运行时常量池，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
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 文件常量池的另一个重要特征是：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（symbol table），但是它所包含的数据却比符号表要更加丰富一些
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

3.3.4、方法区演示

code

package com.lkty.method;


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);
    }
}

方法区中的字节码

 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

初始 image.png
执行字节码0 执行字节码0.png
执行字节码3 执行字节码3.png
执行字节码4 执行字节码4.png
执行字节码6 执行字节码6.png
执行字节码7 执行字节码7!.png
执行字节码8 - 执行字节码8.png
执行字节码9 执行字节码9.png
执行字节码10 执行字节码10.png
执行字节码11 执行字节码11.png
执行字节码13 执行字节码13.png
执行字节码15 执行字节码15.png
执行字节码18 执行字节码18.png
执行字节码19 执行字节码19.png
执行字节码21 执行字节码21.png
执行字节码22
调用静态方法，JVM会根据这个方法的描述，创建新栈帧，方法的参数从操作数栈中弹出来，压入虚拟机栈，然后虚拟机会开始执行虚拟机栈最上面的栈帧。执行完毕后，再继续执行main方法对应的栈帧!
执行字节码25 执行字节码25.png

四、方法区的演进过程

只有HotSpot才有永久代
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
- JDK1.7：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

4.1、JDK6 JVM运行时数据区

JDK6 JVM运行时数据区.png

4.2、JDK7 JVM运行时数据区

JDK7 JVM运行时数据区.png

4.3、JDK8 JVM运行时数据区

JDK8 JVM运行时数据区.png

4.4、元空间为什么要替换永久代

随着 Java8 的到来，HotSpot VM 中再也见不到永久代。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，这个区域就是元空间（Metaspace）
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
这是一项很有必要的改动
- 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。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

4.5、StringTable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。放到堆中，能即时回收内存

五、方法区的垃圾回收

有些人认为方法区（如HotSpot虚拟机中的元空间或者永久代）是没有垃圾收集行为的，其实不然。《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
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。当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露
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
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。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：
- 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
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
- 1、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
- 2、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
- 3、该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法再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。关于是否要对类型进行回收，HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用-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、CGLib等字节码框架，动态生成JSP以及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

image.png