欧尼酱讲JVM(17)——方法区详解有图有真相

时间:2020-9-6 作者:admin

位置图解

 JDK1.8之后方法区即元空间

方法区的理解

方法区在哪里

《Java虚拟机规范》中明确说明:“尽管所有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回收或者进行压缩。”但是对于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,方法区看做是一块独立于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。
  • 方法区的小大,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.OutOfMenoryError:Metaspace
  • 关闭JVM就会释放这个区域的内存

HotSpot中方法区的理解(演进过程)

  • 在jdk1.7之前,习惯上把方法区,称为永久代。从JDK1.8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。
    • 现在看来,当年使用永久代不是一个好办法,导致Java程序更容易出现OOOM
  • 而到了JDK1.8,终于完全废弃了永久代的概念,改用JRockit J9一样在本地内存中实现的元空间来代替。
  • 元空间的本质和永久代类似,都是对JVM规范中方法区的时间,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。

方法区的内部结构

图解方法区内部结构

 运行时常量池

  • 运行时常量池是方法区的一部分
  • 常量池表是class文件的一部分,用于存放编译器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,在加载类和接口道虚拟机后,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获得的方法或者字段引用,此时不再是常量池汇总的符号地址了,这里换为真实的地址。
    • 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
      • String.intern()
  • 运行时常量池类似于传统编程语言中的符号表,但是它包含的数据却比符号表更加丰富一些。
  • 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时常量池所需要的内存空间超过了方法区所提供的最大值,则JVM或抛OOM异常。

class文件中常量池的理解

  • 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

我们可以在官网中看到,ClassFile中的常量池介绍:

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,包括各种字面量和堆类型、域和方法的引用符号引用。 

 

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贷字节码里,换一种方法,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,可以访问我之前写过的博客《欧尼酱讲JVM(02)——类的加载过程》

常量池中有什么

几种在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:

public class MehtodAreaTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
    }
}

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

 常量池小结: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。

 

 

方法区中存储什么 

《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。

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的某个子类)
  • 这个类型直接接口的一个有序列表

域信息

  • 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、protected、static、final、volatile、transient的某个子集)

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:

  • 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、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

举例子

我们来分析这样一段代码:

public class MethodInnerStrucTest extends Object implements Comparable<String>, Serializable {

    //属性
    public int num = 10;
    private static String str = "测试方法内部结构";
    //构造器
    //方法
    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;
    }
}

我们通过以下命令对这段代码进行反编译,并且通过nodepad++打开test2.txt

 

我们可以看到 

 其实方法区中还保留了类加载信息,就是加载过程中使用了哪种类加载器,也保留在了方法区中。

设置方法区大小的参数与OOM

导致方法区OOM的场景

  • 加载大量第三方jar包
  • Tomcat部署过程多(30-50个)
  • 大量动态的生成反射类

设置方法区内存大小的参数

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

JDK1.7及以前:

  • 通过-XX:PermSize来设置永久代初始分配空间。默认值是20.75M
  • -XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配空间,32位机器默认是64M,64位机器默认是82M
  • 当JVM加载的类信息容量超过了这个值,会报异常OutOfMeoryError:PermGenSpace

JDK1.8基本以后:

  • 元数据区大小可以使用参数-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize指定,代替上述原有的两个参数。
  • 默认值依赖于平台。windows下,-XX:MetaspqceSize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,虚拟机将会耗尽所有的可用系统内存,如果数据区发生溢出,虚拟机一样会抛出异常OutOfMeoryError: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:MetaspqceSize的值为21MB,这就是初始的高水位线,一旦触及这个高水位线,Full GC将会被处罚并卸载没用的类(即这些类对应的类加载类不再存活),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,则适当减低该值。
  • 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。

方法区在JDK1.6->1.7->1.8中的演进细节

首先明确,只有HotSpot才有永久代。EBA JRockit、IBM J9等来说,是不存在永久代概念的。原则上如何实现方法区属于虚拟机实现细节,不收《Java虚拟机规范》的月沪深,并不要求统一

HotSpot中方法区的变化

JDK1.6及其以前: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及其之后: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。

Java发展的重大事件

  • 1990年, 在Sun计算机公司中,由Patrick Naughton、 MikeSheridan及James Gosling领导的小组Green Team,开发出的新的程序语言,命名为0ak,后期命名为Java
  • 1995年, Sun 正式发布Java和HotJava产品,Java 首次公开亮相。
  • 1996年1月23日Sun Microsystems发布 了JDK 1.0。
  • 1998年,JDK 1.2版本发布。同时,Sun发布了JSP/Servlet、EJB规范,以及将Java分成了J2EE、 J2SE和J2ME。这表明 了Java开始向 企业、桌面应用和移动设备应用3大领域挺进。
  • 2000年, JDK 1.3发布,Java Hotspot Virtual Machine正式发布,成为Java的默认虚拟机。
  • 2002年,JDK 1.4发布,古老的Classic虚拟机退出历史舞台。
  • 2003年年底,Java平台的Scala正式发布,同年Groovy也加入 了Java阵营。
  •  2004年, JDK 1.5发布。同时JDK 1 .5改名为JavaSE 5.0。
  • 2006年,JDK6发布。同年,Java开源并建立了OpenJDK。 顺理成章,Hotspot虚拟机也成为了OpenJDK中 的默认虚拟机。

永久代为什么要被元空间替换

  • 随着Java8 的到来,Hotspot VM中再也见不到永久代了。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,这个区域叫做元空间( 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。
  • 这项改动是很有必要的,原因有: 
    • 因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。
    • 对永久代进行调优是很困难的

 

 

 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。放到堆里,能及时回收内存。

方法区的垃圾回收行为

回收什么

有些人认为方法区( 如HotSpot虛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。《Jaya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。

如何回收

  • 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。
  • 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。

满足什么条件会被回收

  • 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- -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虛拟机提供了-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。

至此,方法区就讲解完了,你的三连将是我最大的动力,记得三连哦~

 

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