jvm之方法区解读（上）

栈、堆、方法区的交互关系

方法区的理解

官方文档：Chapter 2. The Structure of the Java Virtual Machine

方法区在哪里？

《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HotSpotJVM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。

方法区的基本理解

• 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.OutOfMemoryError: 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。

HotSpot中方法区的演进

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。例如：BEA JRockit / IBM J9 中不存在永久代的概念。

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）

而到了JDK8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替

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

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

• 通过来设置永久代初始分配空间。默认值是20.75M-XX:Permsize
• 通过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-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

JDK8以后

• 元数据区大小可以使用参数 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize指定
• 默认值依赖于平台。windows下，-XX:MetaspaceSize=21M -XX:MaxMetaspaceSize=-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，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。为了避免频繁地GC，建议将-XX:MetaspaceSize设置为一个相对较高的值。

举例

1. /**
2.  * jdk8中：
3.  * -XX:MetaspaceSize=10m-XX:MaxMetaspaceSize=10m
4.  * jdk6中：
5.  * -XX:PermSize=10m-XX:MaxPermSize=10m
6.  */
7. public class OOMTest extends ClassLoader{
8. public static void main(String[] args){
9. int j = 0;
10. try{
11. OOMTest test = new OOMTest();
12. for (int i=0;i<10000;i++){
13. //创建Classwriter对象，用于生成类的二进制字节码
14. ClassWriter classWriter = new ClassWriter(0);
15. //指明版本号，public，类名，包名，父类，接口
16.                 classWriter.visit(Opcodes.V1_6, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, nu1l, "java/lang/Object", null);
17. //返回byte[]
18. byte[] code = classWriter.toByteArray();
19. //类的加载
20.                 test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length); //CLass对象
21.                 j++;
22.             }
23.         } finally{
24.             System.out.println(j);
25.         }
26.     }
27. }

如何解决这些OOM

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（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）

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。

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

方法区（Method Area）存储什么？

《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、即时编译器编译后的代码缓存等。

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：

这个类型的完整有效名称（全名=包名.类名）

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）

这个类型的修饰符（public，abstract，final的某个子集）

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共享，即使没有类实例时，你也可以访问它

1. public class MethodAreaTest {
2. public static void main(String[] args) {
3. Order order = new Order();
4.         order.hello();
5.         System.out.println(order.count);
6.     }
7. }
8. class Order {
9. public static int count = 1;
10. public static void hello() {
11.         System.out.println("hello!");
12.     }
13. }

补充说明：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。

 运行时常量池 VS 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。

官方文档：Chapter 4. The class File Format

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符信息外，还包含一项信息就是常量池表（Constant Pool Table），包括各种字面量和对类型、域和方法的符号引用

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，之前有介绍。

1. public class SimpleClass {
2. public void sayHello() {
3.         System.out.println("hello");
4.     }
5. }

虽然只有194字节，但是里面却使用了String、System、PrintStream及Object等结构。这里的代码量其实很少了，如果代码多的话，引用的结构将会更多，这里就需要用到常量池了。

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

例如下面这段代码：

1. public class MethodAreaTest2 {
2. public static void main(String args[]) {
3. Object obj = new Object();
4.     }
5. }

Object obj = new Object();将会被翻译成如下字节码：

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

DUP函数功能：数据定义伪指令，它可以按照给定的次数来复制某个（某些）操作数，可以避免多次键入同样一个数据。

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