【读书会第十二期】说下你对方法区演变过程和内部结构的理解

之前我们已经了解过“运行时数据区”的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈和堆空间，今天我们就来了解一下最后一个模块——方法区。

简介

创建对象时内存分配简图

《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。”

虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。所以，方法区可以看作是一块独立于 Java 堆的内存空间。

方法区与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域。方法区在 JVM 启动时就会被创建，并且它的实际的物理内存空间是可以不连续的，关闭 JVM 就会释放这个区域的内存。

永久代、元空间

《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。而对于 HotSpot 来说，在 jdk7 及以前，习惯上把方法区的实现称为永久代，而从 jdk8 开始，使用元空间取代了永久代。

方法区是 Java 虚拟机规范中的概念，而永久代和元空间是 HotSpot 虚拟机对方法区的一种实现。通俗点讲：如果把方法区比作接口的话，那永久代和元空间可以比作实现该接口的实现类。

直接内存

永久代、元空间并不只是名字变了，内部结构也进行了调整。永久代使用的是 JVM 的内存，而元空间使用的是本地的直接内存。

直接内存并不是 JVM 运行时数据区的一部分，因此不会受到 Java 堆的限制。但是它会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制，所以如果这部分内存也被频繁的使用，依然会导致 OOM 错误的出现。

方法区的大小

方法区的大小是可以进行设置的，可以选择固定大小也可以进行扩展。

jdk7 及以前

-XX:PermSize=N //方法区 (永久代) 初始分配空间，默认值为 20.75M
-XX:MaxPermSize=N //方法区 (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

jdk8及以后

默认值依赖于平台，windows下：

-XX:MetaspaceSize=N //方法区 (元空间) 初始分配空间，如果未指定此标志，则元空间将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。
-XX:MaxMetaspaceSize=N //方法区 (元空间) 最大可分配空间，默认值为 -1，即没有限制

与永久代很大的不同就是，如果不指定大小的话，随着更多类的创建，虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。

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，比如：加载大量的第三方 jar 包、Tomcat 部署的工程过多、大量动态生成反射类等都会导致方法区溢出，抛出内存溢出错误。

• 永久代：OutOfMemoryError:PermGen space
• 元空间：OutOfMemoryError:Metaspace

至于如何解决 OOM 异常，将在以后的文章中讲解！

jvisualvm

我们可以通过 JDK 自带的 jvisualvm 工具来查看程序加载的类文件：

例

public class MethodAreaDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("start...");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("end...");
    }
}

运行程序，可以看到一个简单的程序就需要加载这么多的类文件。

高水位线

对于一个64位的服务器端 JVM 来说，XX：MetaspaceSize=21 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，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。

内部结构

《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、即时编译器编译后的代码缓存等。接下来我们就一起来看一下它的内部结构。

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：

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（field，也称为属性）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所共享，即使没有类实例你也可以访问它。

我们可以通过例子来查看：

public class MethodAreaDemo2 {
    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 final int number = 2;

    public static void hello() {
        System.out.println("hello!");
    }
}

运行结果为：

hello!
1

可以打开 IDEA 的 Terminal 窗口，在 MethodAreaDemo2.class 所在的路径下，输入 javap -v -p MethodAreaDemo2.class 命令

通过图片我们可以看出被声明为 final 的类变量的处理方法是不一样的，全局常量在编译的时候就被分配了。

运行时常量池

说到运行时常量池，我们先来了解一下什么是常量池表。

常量池表

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），里边存储着数量值、字符串值、类引用、字段引用和方法引用。

为什么字节码文件需要常量池？

java 源文件中的类、接口，编译后会产生一个字节码文件。而字节码文件需要数据支持，通常这种数据会很大，以至于不能直接存放到字节码中。换一种方式，可以将指向这些数据的符号引用存到字节码文件的常量池中，这样字节码只需使用常量池就可以在运行时通过动态链接找到相应的数据并使用。

运行时常量池

运行时常量池（ Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，类加载器加载字节码文件时，将常量池表加载进方法区的运行时常量池。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，比如 String.intern()。

演进细节

针对的是 Hotspot 的虚拟机：

• jdk1.6 及之前：有永久代 ，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；

演变示例图

为什么要将永久代替换为元空间呢?

1. 永久代使用的是 JVM 的内存，受 JVM 设置的内存大小限制；元空间使用的是本地直接内存，它的最大可分配空间是系统可用内存的空间。因为元空间里存放的是类的元数据，所以随着内存空间的增大，能加载的类就更多了，相应的溢出的机率会大大减小。
2. 在 JDK8，合并 HotSpot 和 JRockit 的代码时，JRockit 从来没有一个叫永久代的东西，合并之后就没有必要额外的设置这么一个永久代的地方了。
3. 对永久代进行调优是很困难的。

StringTable 为什么要调整

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。这就导致了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。

垃圾回收

相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入方法区后就“永久存在”了。方法区的垃圾收集主要回收两部分内容：常量池中废奔的常量和不再使用的类型。

方法区内常量池中主要存放字面量和符号引用两大类常量：

• 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。

类型判定

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 虛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。

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