05-方法区

2022-07-18

05-方法区

JVM之运行时数据区(四)-- 方法区

一. 基本认识

1.1 方法区初识

从一句简单的Person person = new Person()来认识方法区。

  1. Person 类的 .class 信息存放在方法区中
  2. person 变量存放在 Java 栈的局部变量表中
  3. 真正的 person 对象存放在 Java 堆中
  4. 在 person 对象中,有个指针指向方法区中的 person 类型数据,表明这个 person 对象是用方法区中的 Person 类 new 出来的。

1.2 方法区位置

  1. 《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。
  2. 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,方法区可以看作是一块独立于Java堆的内存空间

1.3 方法区的基本理解

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

  1. 方法区(Method Area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域。多个线程同时加载同一个类时,只能有一个线程能加载该类,其他线程只能等待该线程加载完毕,然后直接使用该类,即类只能加载一次。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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
  5. 关闭JVM就会释放这个区域的内存。

1.4 Hotspot方法区演进

  1. JDK7及以前,方法区称为永久代。JDK8开始,则称为元空间。
  2. 区别在于元空间不再使用虚拟机内存,而使用了本地内存

二. 内部结构

方法区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

2.1 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

2.2 域信息

也就是我们常说的成员变量,域信息是比较官方的称呼

  1. 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。
  2. 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)

2.3 方法信息

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:

  1. 方法名称
  2. 方法的返回类型(包括 void 返回类型),void 在 Java 中对应的为 Void.class
  3. 方法参数的数量和类型(按顺序)
  4. 方法的修饰符(public,private,protected,static,final,synchronized,native,abstract的一个子集)
  5. 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)
  6. 异常表(abstract和native方法除外),异常表记录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

2.4 non-final类型的类变量

  1. 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

  2. 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

    需要注意的是:全局常量在编译阶段(准备来说,是类加载过程中linking的准备阶段)会被直接赋值,而不是作为变量的形式。

2.5 运行时常量池

2.5.1 运行时常量池和常量池

  1. 方法区,内部包含了运行时常量池
  2. 字节码文件,内部包含了常量池。(之前的字节码文件中已经看到了很多Constant pool的东西,这个就是常量池)
  3. 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。
  4. 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。

2.5.1 常量池

  1. 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。
  2. 字面量: 10 , “我是某某”这种数字和字符串都是字面量

为什么需要常量池?

  1. 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。
  2. 我们可以将"hello"等所需用到的结构信息记录在常量池中,并通过引用的方式,来加载、调用所需的结构。

在字节码文件中,常量池所使用的是符号引用。

常量池中有啥?

  1. 数量值
  2. 字符串值
  3. 类引用
  4. 字段引用
  5. 方法引用

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。

2.5.2 运行时常量池

  1. 运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。
  2. 常量池表(Constant Pool Table)是Class字节码文件的一部分,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。(运行时常量池就是常量池在程序运行时的称呼)
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  1. 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。
  2. 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。

三. 方法区演进细节

主要针对Hotspot虚拟机

3.1 永久代演进

版本描述
JDK1.6及以前有永久代(permanent generation),静态变量存储在永久代上
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、静态变量仍然在堆中。

JDK6

方法区由永久代实现,使用 JVM 虚拟机内存(虚拟的内存)

JDK7

方法区由永久代实现,使用 JVM 虚拟机内存,但是字符串常量池,静态变量已经转移到堆中

JDK8

方法区由元空间实现,使用本地内存。字符串常量池,静态变量仍在堆中

3.2 字符串常量池

字符串常量池 StringTable 为什么要调整位置?

  • 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的时候才会执行永久代的垃圾回收,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。

3.3 静态变量

需要注意,静态变量引用的对象始终在堆中,而指针在不同版本有所区别

JDK7及其以后版本的HotSpot虚拟机选择把静态变量与类型在Java语言一端的映射Class对象存放在一起,存储于Java堆之中

四. 方法区的垃圾回收

  1. 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(如JDK11时期的ZGC收集器就不支持类卸载)。

  2. 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。

  3. 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

  4. 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:

    • 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
  5. 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。

  6. 回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。(关于常量的回收比较简单,重点是类的回收)

下面也称作类卸载

1、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。

2、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

3、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。

五. 直接内存

  1. 不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。
  2. 直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存区间。
  3. 来源于NIO,通过存在堆中的DirectByteBuffer操作Native内存
  4. 通常,访问直接内存的速度会优于Java堆。即读写性能高。
  5. 因此出于性能考虑,读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。
  6. Java的NIO库允许Java程序使用直接内存,用于数据缓冲区