1 前言

这次所讲述的是运行时数据区的最后一个部分
方法区 - 图1
从线程共享与否的角度来看
方法区 - 图2
ThreadLocal：如何保证多个线程在并发环境下的安全性？典型应用就是数据库连接管理，以及会话管理

2 栈、堆、方法区的交互关系

下面就涉及了对象的访问定位
方法区 - 图3

  • Person：存放在元空间，也可以说方法区
  • person：存放在Java栈的局部变量表中

  • new Person()：存放在Java堆中

    3 方法区的理解

    《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于Java堆的内存空间。
    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

  • 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：ava.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

  • 关闭JVM就会释放这个区域的内存。

    3.1 HotSpot中方法区的演进

    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。

  • JDK 1.8后，元空间存放在堆外内存中

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：BEAJRockit / IBM J9 中不存在永久代的概念。
现在来看，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）因为：（永久代有-XX：MaxPermSize的上限，即使不设置也有默认大小，而J9和JRockit只要 没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系统中的4GB限制，就不会出问题），而且有极少数方法 （例如String::intern()）会因永久代的原因而导致不同虚拟机下有不同的表现。
方法区 - 图4
而到了JDK8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替
方法区 - 图5
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。

4 设置方法区大小与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。

4.1 jdk7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。

    4.2 JDK8以后

    元数据区大小可以使用参数 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize指定
    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，虚拟机一样会抛出异常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，FullGC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Ful1GC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。

    4.3 如何解决这些OOM

  • 要解决OOM异常或heap space的异常，一般的手段是首先通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）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）还是内存溢出（Memory Overflow）

    • 内存泄漏就是 有大量的引用指向某些对象，但是这些对象以后不会使用了，但是因为它们还和GC ROOT有关联，所以导致以后这些对象也不会被回收，这就是内存泄漏的问题
  • 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GCRoots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GCRoots引用链的信息，就可以比较准确地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都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xmx与-Xms），与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、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。

5 方法区的演进细节

首先明确：只有Hotspot才有永久代。BEA JRockit、IBMJ9等来说，是不存在永久代的概念的。原则上如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受《Java虚拟机规范》管束，并不要求统一
Hotspot中方法区的变化： | JDK1.6及以前 | 有永久代，静态变量存储在永久代上 | | —- | —- |

JDK6的时候
方法区 - 图6
JDK7的时候
方法区 - 图7
JDK8的时候，元空间大小只受物理内存影响
方法区 - 图8

5.1 为什么永久代要被元空间替代？

JRockit是和HotSpot融合后的结果，因为JRockit没有永久代，所以他们不需要配置永久代
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: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。

    • 主要是为了降低Full GC

      5.2 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的时候才会触发。而fullgc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。

      5.3 静态变量存放在那里？

      静态引用对应的对象实体始终都存在堆空间
      从《Java虚拟机规范》所定义的概念模型来看，所有Class相关的信息都应该存放在方法区之中，但方法区该如何实现，《Java虚拟机规范》并未做出规定，这就成了一件允许不同虚拟机自己灵活把握的事情。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。

      6 方法区的垃圾回收

      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）。
      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。
      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。（关于常量的回收比较简单，重点是类的回收）
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.C1ass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

  • 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。

    7 总结

    方法区 - 图9

    7.1 常见面试题

  • 百度 三面：说一下JVM内存模型吧，有哪些区？分别干什么的？

  • 蚂蚁金服： Java8的内存分代改进 JVM内存分哪几个区，每个区的作用是什么？ 一面：JVM内存分布/内存结构？栈和堆的区别？堆的结构？为什么两个survivor区？ 二面：Eden和survior的比例分配
  • 小米： jvm内存分区，为什么要有新生代和老年代
  • 字节跳动： 二面：Java的内存分区 二面：讲讲vm运行时数据库区 什么时候对象会进入老年代？
  • 京东： JVM的内存结构，Eden和Survivor比例。 JVM内存为什么要分成新生代，老年代，持久代。新生代中为什么要分为Eden和survivor。
  • 天猫： 一面：Jvm内存模型以及分区，需要详细到每个区放什么。 一面：JVM的内存模型，Java8做了什么改
  • 拼多多： JVM内存分哪几个区，每个区的作用是什么？
  • 美团： java内存分配 jvm的永久代中会发生垃圾回收吗？ 一面：jvm内存分区，为什么要有新生代和老年代？