程序地带

JVM方法区(元空间)


概述
运行时数据区概览 在这里插入图片描述从线程共享的角度看方法区、堆、栈、程序计数器 在这里插入图片描述方法区、堆、栈之间的关系 栈中的reference就是person变量,堆中的到对象类型数据的指针指向方法区的对象类型数据就是Person。 在这里插入图片描述方法区在哪里 《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与Java堆的内存空间。 在这里插入图片描述
方法区的基本理解
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启动的时候被创建,并且它的实际的物理内存空间和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持多少个类,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溢出错误:java.lang.outofMemoryError:PermGen space或者java.lang.outofmemoryerror:Metaspace
大量加载三方Jar包。tomcat中部署过得的工程(30-50个)可能出现oom
关闭JVM会释放这个区域的内存。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,方法区是一种jvm规范,永久代和元空间都是方法区概念的具体落地方案。
现在看来,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)
HotSpot中方法区的演进
方法区jdk7->jdk8,落地方案发生了变化 在这里插入图片描述到了JDK8,终于完全废弃了永久代的概念,改用于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,内部结构逻辑也变了。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。
方法区大小设置和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-XX:PermSize来设置永久代初始化分配空间,默认值是20.75M。-XX:MaxPermSize来设置永久代最大可分配空间。32位机器默认是64M,64为机器默认是82M。当JVM加载的类信息容量超过了这个值,会报一次OutOfMemoryError:PermGen space 在这里插入图片描述 jdk8及以后
元空间大小可以使用参数-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize指定,替代上述原有的两个参数。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。如果元数据区发生异常,虚拟机一样会抛出异常OOM: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将会被处罚并卸载没用的类(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,使得提高该值,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。通过垃圾回收的日志可以观察到Full GC多次调用,为了避免频繁GC,建议将-XX:MetaspaceSize设置为一个相对较高的值。 在这里插入图片描述
如何解决OOM
要解决OOM异常或者heap space的异常,一般的手段是首先通过内存映像分析工具对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)还是内存异常(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GC Roots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GC Roots引用链的信息,就可以比较准确的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还必须活着,那就应当检查虚拟机堆参数(-Xmx 与-Xms),与机器物理内存对比看是否还可以调大,从代码检查是否存在某些生命周期过长,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

在这里插入图片描述


方法区存储什么

《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(包括类、接口、枚举、域、方法等)、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等。 在这里插入图片描述


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或者java.lang.Object,都没有父类)这类型的修饰符(public、abstract、final的某个自己)这类型直接实现的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申明顺序。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,同域信息一样包括申明顺序:


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,就是方法的实体编译的字节码)、操作数栈、局部变量表及大小(abstract和native方法除外,因为没有方法体)异常表(abstract和native方法除外,因为没有方法体)
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、被捕获的异常的常量池索引
存放什么数据

方法区存储的是每个class的信息: (1)类加载器引用(ClassLoader) (2)运行时常量池:包含所有常量、字段引用、方法引用、属性 (3)字段数据:每个字段的名字、类型(如类的全路径名、类型或接口) 、修饰符(如public、abstract、final)、属性 (4)方法数据:每个方法的名字、返回类型、参数类型(按顺序)、修饰符、属性 (5)方法代码:每个方法的字节码、操作数栈大小、局部变量大小、局部变量表、异常表和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(static静态变量)
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。

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
概述
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
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,还包含一项常量池表(Constant Pool Table),包括各种字面量(通常是字符串)和对类型、域和方法符号的引用。为什么需要一个常量池呢? 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。总结起来,其实就是对真实数据的一个符号引用(#xxx),像图纸一下,运行时把符号动态替换成真实数据。在这里插入图片描述在这里插入图片描述 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。常量池中有什么?
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 常量池,可以看做是一张表,虚拟机指令根据这张表找到需要执行的类名、方法名、字段名、参数类型、字面量等类型。
运行时常量池理解

在这里插入图片描述


运行时常量池是方法区的一部分。常量池表示Class文件的一部分,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,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(每个类都有一个运行时常量池)。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,这里换为真实的地址。
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(存放的信息比字节码中的常量池信息更多)java语言并不要求常量一定只有编译期才产生的,也就是并非预置入class文件中常量的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期也可能将新常量放入池中,这种特性开发人员使用较多的是String类的intern()方法。
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提供的最大值,则JVM会抛出OutOfMemoryError异常。方法区运行时常量池、程序计数器、虚拟机栈配置实例
运行时常量池和方法区的关系

运行时常量池存放在方法区中,运行时常量池中存放的是编译期就确定的各种字面量(jdk7及以后字符串字面量放在堆中);运行时常量池中的的符号地址不在是字节码文件中的符号引用而是方法区中的类型信息(类型信息、字段、方法)的真实地址。一句话,运行时常量池包含于方法区中,同时符号引用地址指向方法区中存储的类型、字段、方法信息。 在这里插入图片描述


方法区演进细节

在这里插入图片描述


hotspot不同版本方法区的落地实现

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述


永久代为很么要被元空间替换
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:
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。比如某个时间的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: java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space 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。 full GC 严重影响性能。 放在本地内存不会影响Jvm在运行时的性能,因为都是放在本地内存中,而不是放在本地磁盘上。
字符串常量池
在JKD1.6及以前,字符串常量池是方法区的一部分,jdk1.7及以后,字符串常量池放在java堆中。运行时与class常量池一样,运行时常量池也是每个类都有一个,但是字符串常量池在jvm中只有一个。为了提高匹配的速度,即更快的查找某字符串是否存在常量池中,java在设计字符串常量池时,设计了stringtable结构,stringtable类似hashtable,保存字符串的引用存放字符串到stringtable原理:hash函数计算出字符串的hashcode,生成字符串Node节点(包含hash值,字符串(key)),hash值根据路由算法放入stringtable表的数组中,如果hash冲突则相同的hash值的字符串变成链表结构,字符串放入链表中。根据字符串hash映射成hashcode,通过路由算法查找stringtable表,如果没有hash冲突,直接返回查找到的Node节点引用;如果冲突,查找node节点链表,然后遍历链表查找到对应的node。
字符串常量池(string table,字符串字面量)为什么要调整到堆空间
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,永久代不足是时才会触发。 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。
静态变量存放在哪

结论: 静态引用对应的对象实体始终都是放在堆空间的。 静态变量(静态引用)在jdk7及其以后版本的Hotspot虚拟机选择把静态变量于类型在Java语言一端的映射class对象(静态变量应用的对象实例)存放在一起,存储在Java堆之中。


方法区的垃圾收集

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。 在这里插入图片描述


类是否被回收判断起来相对复杂,回收起来会影响jvm的性能。 在这里插入图片描述
运行时数据区总结

在这里插入图片描述


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