堆、栈、方法区的交互关系

方法区的内部结构

方法区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的某个子集）

• 这个类型直接接口的一个有序列表

  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）

  方法信息（method）

  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。

  常量池

  常量池指的是Class文件常量池，在JVM中的结构就是一张表，保存着字面量和符号引用，常量池在类文件（.java）编译的时候产生，存储在字节码文件（.class）中。

• 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 Poo1 Table），包括各种字面量和对类型域和方法的符号引用。

  • 符号引用：
    • 类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
    • 字段的名称和描述符（Descriptor）
    • 方法的名称和描述符
      

• 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。

  运行时常量池

• 运行时常量池（ Runtime Constant Pool）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()
• 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。

  方法区的演进

  
  
  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、静态变量仍留在堆空间。
  除此之外，元空间（或称方法区），不再使用虚拟机内存，而是使用本地内存。
  

  垃圾收集

  《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。

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。

常量池中废奔的常量

• 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。

  常量池中不再使用的类型

• 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。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