09_方法区

一、栈、堆、方法区的交互关系

1. 从线程共享与否的角度
2. 举例
   
   

   二、方法区的理解

1. 基本理解

1. 逻辑上是堆的一部分；
2. 可选择不进行垃圾回收或压缩。
3. 与堆（Heap）一样，线程共享，可以固定大小或可扩展。
4. 在JVM启动时被创建，物理内存可以不连续，逻辑上连续。
5. 方法区大小决定了可以保存多少个类信息
   • 内存溢出类型：
     • OutOfMemoryError: PermGen space（JDK 7）
     • OutOfMemoryError: MetaSpace（JDK 8+）
   • 内存溢出举例：
     • 加载大量第三方jar包；
     • Tomcat部署过多工程。
     • 大量动态生成反射类。

三、方法区大小与OOM

1. 设置方法区内存大小

内存大小细节

1. 对64位服务器JVM而言，初始内存默认21M是上限。一旦超过该值，Full GC即会触发，卸载无用类（类对应的类加载器将不再存活），重置上限。
2. 新的上限值取决于Full FC释放元空间的大小。
   • 释放空间不足，则在不超过最大值的前提下适当提高。
   • 释放空间过多，则适当降低。
3. 初始值过低，则会发生多次FullGC（通过垃圾回收器日志可以观察到）。因此建议将初始值设置位一个相对较高的值，从而避免多次GC。

2. 如何解决这些OOM

一般手段是，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，重点是确定内存中的对象是否是必要的，即区分内存泄漏（Memory Leak）与内存溢出（Memory Overflow）

四、方法区内部结构

1. 类型

包括类class、接口interface、枚举enum、注解annotation的类型

1. 全类名（包名.类名）
2. 直接父类的全类名（顶层interface和Object类除外）
3. 修饰符（权限public等、抽象abstract、final）的某个子集
4. 该类型的直接接口的一个有序列表

2. 域（Field）

必须包含域信息，以及多个域的声明顺序

1. 名称（变量名）
2. 类型（class等）
3. 域修饰符（以下的某个子集）
   • 访问权限public
   • 静态static
   • 指向不变final
   • 禁止指令重排序volatile
   • 序列化transient

3. 方法（Method）

必须包含方法的以下信息，以及多个方法的声明顺序

1. 方法名
2. 返回类型（return）
3. 入参数量、类型、顺序
4. 方法修饰符（访问权限public）
   • 访问权限public
   • 静态static
   • 禁止重写final
   • 同步synchronized
   • 本地native
   • 抽象abstract
5. 方法字节码（bytecodes）、操作数栈、局部变量表及大小（abstract和native除外）
6. 异常表（abstract和native除外）
   • 每个异常处理的开始位置及结束位置；
   • 代码处理在程序计数器中的偏移地址。
   • 被捕获异常的常量池索引。

补充

1. 变量初始化时机

1. 代码举例

/**
 * 变量赋值的时机测试<p>&emsp;
 * 1) non-final变量测试<p>&emsp;
 * 2) static final变量测试
 *
 * @author Jinhua
 * @date 2021/4/14 22:40
 */
@SuppressWarnings("all")
public class ValueAssignTest {
    public static void main(String[] args) {
        Order order = null;
        // 类的实例为null，仍然可以访问
        order.hello();
        System.out.println(order.count);
        System.out.println(order.NUMBER);
    }
}
class Order {
    /**
     * 【链接 -> 准备】阶段仅默认赋值（0值）
     * 【初始化】过程 执行class对象构造，<clinit>显式赋值为1
     */
    public static int count = 1;
    /**
     * 类加载过程中，【链接 -> 准备】阶段已经显式赋值
     */
    public static final int NUMBER = 2;
    public static void hello() {
        System.out.println("hello");
    }
}

1. 编译结果

1. 小结 | 变量类型 | 赋值时机 | | —- | —- | | non-final变量（static） | 1. 【链接 -> 准备】阶段仅默认赋值（0值，引用类型null）
   2. 【初始化】过程 执行class对象构造，显式赋值 | | static final变量 | 类加载过程中，【链接 -> 准备】阶段直接显式赋值 |

4. 常量池与运行时常量池

整体关系

• 字节码文件 ==> 内部包含常量池；
• 方法区 ==> 内部包含运行时常量池；
• 要弄清楚方法区，需要理解字节码文件，因为类的信息都加载到方法区。
• 要弄清楚方法区的运行时常量池，需要理解清楚字节码中的常量池。

1. 常量池的概述

1. 包含信息
   • 类的版本、字段、方法、接口等描述信息
   • 常量池表
     • 各种字面量
     • 对类型、域、方法的符号引用。
2. 常量池在字节码文件中的位置

1. 为什么需要运行时常量池？
   代码举例如下：

   public class SimpleClass {
    public void sayHello {
        System.out.println("hello");
    }
   }

   • 用到的信息远不止那么多，虽然该类编译出的类信息很少（194 byte），但里面用到的信息却很多，比如String，System，PrintStream，Object等结构
   • 用常量池作符号引用，在类加载过程【链接 -> 解析】时候，将符号引用转换为直接引用。
2. 常量池具体内容
   1. 数据类型
      • 数量值
      • 字符串值
      • 类引用
      • 字段引用
      • 方法引用

例如，以下代码

public class MethodAreaTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
    }
}

第三行 Object obj = new Object();会被编译为

0:        new #2        // Class java/lang/Object
1:        dup
2:        invokespecial    #3        // Method java/lang/Object    "<init>"()    V

1. 常量池小结
   可以看作一张表，虚拟机指令根据这张表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等类型。

2. 运行时常量池概述

1. 创建时机
   在类和接口加载到方法区后，就会创建运行时常量池。
2. 从属数量关系
   每个已加载的类型，都维护一个常量池（与类型一对一），通过索引访问。
3. 包含的多种常量
   • 编译期间**就已经明确的字面数值量（static final）。
   • 运行时解析获得的方法或字段的引用（解析为对象的真实地址，不再是符号引用了），反映出运行时常量池的特征——动态性。
4. 与传统语言类比
   • 类似于传统语言中的符号表（symbol table），但运行时常量池的数据比符号表更丰富。
5. 内存溢出
   • 运行时常量池所需内存空间超过了方法区最大值设置，抛出OutOfMemoryError: Metaspace

五、方法区使用举例

1. 测试类代码

   /**
   * 模拟方法区的使用情况<p>&emsp;
   * 静态方法，除了out对象，未用到堆，目前PPT中暂未展示堆结构变化。
   *
   * @author Jinhua
   * @date 2021/4/15 22:31
   */
   public class MethodAreaTest {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 500;
        int y = 100;
        int a = x / y;
        int b = 50;
        System.out.println(a + b);
    }
   }

2. 图示举例
   

六、方法区的演进

1. 演进细节

1) 版本对比

• 最大区别是，元空间不在虚拟机设置的内存中，而使用本地内存。

2) 结构简图

• 永久代或元空间，可以看作是方法区的实现。
  • 方法区和永久代，对于Hotspot虚拟机而言才等价。对于JRockit / J9虚拟机而言，不存在永久代的概念。
  • 现在看来，当年使用永久代不是好的主意，容易导致程序OOM（超过MaxPermSize上限）

3) 变更的考虑因素分析

1. 方法区（永久代）使用本地内存（JDK 8）

参考网址：JEP 122: Remove the Permanent Generation

1. 永久代（PermGen）空间大小是很难确定的。
   某些场景下如果动态类加载过多，永久代（PermGen）容易OOM。
2. 永久代调优是很困难的。

2. String Table的变更（JDK 7）

将String Table移入堆空间中，主要因素是GC频率。

• 永久代的回收效率很低，Full GC（老年代空间不足 / 永久代空间不足），才会触发。
• 开发中大量创建字符串，会导致永久代内存不足。放到堆中，能及时回收内存。

3. 静态变量存放位置变更（JDK 7）

从《Java虚拟机规范》定义的概念模型来看，所有class对象的信息都应该存放于方法区。但如何实现并未做出规定，具体虚拟机可不同。

JDK 7+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。

七、方法区的垃圾回收

1. 现状

• 《Java虚拟机规范》并未要求方法区垃圾收集。
• 回收效果不好（尤其是类卸载，条件苛刻）。
• 有时确实是有必要。

2. 回收的主要内容

1) 常量池废弃的常量

1. 字面量（文本字符串，被声明final的常量值）
2. 符号引用
   • 类和接口的全限定名
   • 字段名称和描述符
   • 方法的名称和描述符

2) 不再使用的类

1. 类被废弃的判定条件

1. 该类的所有实例被回收
2. 加载该类的类加载器已经被回收
   • 这个条件很难达成，除非是经过精心设计的可替换类加载器的场景（如OSGI, JSP重加载）。
3. 该类的类对象的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用。
   • 无法通过反射来访问该类的方法。

2. 相关参数

1. 允许类的回收
   • -Xnoclassgc
2. 信息查看参数
   • -verbose: class
   • -XX:+TraceClass-Loading
   • -XX:+TraceClassUnLoading

3. 相关卸载场景

动态类加载（反射、动态代理、CGLib），频繁定义类加载器（动态JSP，OSGI），要求Java虚拟机具备类型卸载的能力，减小方法区内存压力。

八、常见大厂面试题

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

• Java 8内存分代改进。
• JVM内存分哪几个区，每个区的作用分别是什么？

一面

• JVM内存分布结构？栈和堆的区别？堆的结构？

二面

• Eden和Survivor的分配比例。

小米

• jvm内存分区，为什么要有新生代和老年代？

字节跳动

一面

• Java的内存分区。

二面

• 讲讲JVM的运行时数据区。
• 什么时候对象会进入老年代？

京东

• JVM的内存结构，Eden和Survivor的比例。
• JVM内存为什么要分成新生代、老年代、永久代？新生代中为什么要分为Eden和Survivor？

天猫

一面

• JVM内存模型及分区，需要详细到每个区放什么。

二面

• JVM内存模型，Java 8做了什么修改。

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中的永久代会发生垃圾回收吗？
• JVM内存分区，为什么要有新生代和老年代？

个人思考（待完善）

1. 堆内存分代思想的设计，主要考虑因素是对象的生命周期，个人理解Spring的经久不衰，正是因为Spring容器也是基于对象生命周期管理的考虑。在广泛使用的web + 数据库交互式系统下，数据库决定了内存中不需要维持太多对象。对象随着网络请求的发起而创建，除了一些全局配置的对象，其余对象对于完成自身职责的存在周期就是方法栈帧的存在时间，JVM方法栈帧弹出，其余大多对象是不需要的状态，被GC算法判断而回收。