[JVM学习之路]七、方法区的内存结构、演变细节和垃圾回收

方法区

一、栈、堆、方法区的的交互关系

二、方法区相关理解

方法区别名”Non-Heap“非堆，被看做是一块独立于Java堆的内存空间

1.方法区特点

• 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启动时就会被创建，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拓展
• 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（Java8以前） 或 java.lang,OutOfMemoryError:Metaspace（Java8以后），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；
• 关闭JVM就会释放这个区域的内存。

2.HotSpot中方法区的演进

Jdk及以前成为永久代，Jdk8以后元空间取代永久代（可以将方法区看做接口，而元空间是具体逻辑的实现）

本质上永久代和方法区并不是等价的，是相对于Hotspot虚拟机而言

到了jdk8，放弃了永久代的概念，改用了和JRocket和J9一样在本地内存中实现元空间来代替

• 元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代最大的区别在于：元空间不再虚拟机设置的内存中，而是使用本地内存。这样有更多的内存而不至于经常OOM
• 永久代、元空间并不只是名字变了。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。

三、设置方法区大小与OOM

1.设置方法

方法区大小并不是固定，jvm可以根据需要进行修改

jdk8以前

• -XX:PermSize=n来设置永久代初始分配空间。默认值是20.75M
• -XX :MaxPermSize=n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
• 当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报异常OutOfMemoryError: PermGen space

jdk8及以后

• 元数据区大小可以使用参数-XX:MetaspaceSize=n和-XX:MaxMetaspaceSize=n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。 如果元数据区发生溢出，虚拟机一样会拋出异常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。

2.OOM

验证是内存泄露还是内存溢出，需要使用工具找到OOM的位置，最后进行修改

四、方法区的内存结构

方法区是存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器后的代码缓存

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：

• 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

2.域信息（成员变量）

• 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）

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：

• 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。

4.non-final的类变量

non-final的类变量也就是没有用final修饰的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，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。

5.static final 全局常量

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。

static是在prepare阶段对变量初始化为零值，然后在初始化阶段进行赋值；而static final则是在编译阶段就已经进行初始化和赋值操作

6.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，还包含一项信息那就是常量池表（Constant Pool Table），包括各种字面量和对类型域和方法的符号引用。

• 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；而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

小结：字节码当中的常量池结构（constant pool），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、字面量等信息。

7.运行时常量池

• 运行时常量池是方法区的一部分

• 常量池表（Constant Pool Table）是Class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，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。

• 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()

      如果运行时常量池没有，则放一个进去，比常量池要多，体现出了动态性

• 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能提供的最大值，则JVM会抛OutOfMemoryError异常。

五、方法区的演变细节

1.hotspot中方法区变化

jdk代数	描述
jdk1.6及以前	有永久代（permanent generation）,静态变量存放在永久代
jdk1.7	有永久代，但已经逐步”去永久代“，字符串常量池和静态变量移出永久代并放入堆中
jdk1.8及以后	无永久代，类型信息、字段、方法和常量保存在本地内存的元空间，但是字符串常量池和静态变量仍然在堆中（之前是将永久代使用虚拟机内存，现在是本地内存）

元空间替换永久代是非常有必要的，修改以后，类的元数据不再放在虚拟机内存中，而是直接放入本地内存，有以下两点必要性：

1.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（永久代）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。 “Exception in thread’ dubbo client x.x connector’java.lang.OutOfMemoryError： PermGenspace” 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。

2.永久代的调优很困难

如果永久代内存满了，需要进行Full GC，进而严重拖慢STW，而放入本地内存后很少需要进行Full GC

2.为什么要改变String Table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。

3.静态变量的存放

静态引用对应的对象实体始终都存放在堆空间

引用名发生了改变，从6开始的放在永久代，到后面放入堆中

根据《Java虚拟机规范》中规定，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，存储在堆之中

总结：

1.局部变量是属于方法栈帧中的，存放在栈帧的局部变量表中

2.jdk1.7以后将类变量的引用从永久代转变到了堆中

3.jdk6以后的类的实例都是放在堆中的

六、方法区的垃圾回收

方法区GC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

1.常量池垃圾收集

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。

常量池中包括下面三类常量：

1、类和接口的全限定名

2、字段的名称和描述符

3、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。

2.类垃圾收集

类垃圾回收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。

如满足以上条件，JVM虚拟机可以运行对这个类进行回收，也仅仅是允许