JVM学习-方法区(元空间)

运行时数据区结构图

从线程共享与否角度来看

栈、堆、方法区的交互关系

在这里插入图片描述

方法区

《Java虚拟机规范》中明确说明：“尽管所有的方法区在逻辑上属于堆的一部分，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Non-Heap(非堆)，目的就是要和堆分开，方法我看作一块独立于Java堆的内存空间。
方法区和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，并且它的实际物理内存空间中和Java堆一样都可以不连续
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，如果系统定义了过多的类，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或java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace
关闭JVM就会释放这个区域的内存

Hotspot方法区的演进

在JDK7及以前，习惯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，方法区和永久代并不等价。仅是对Hotspot而言，《JVM虚拟机规范》对如何实现方法区，不做统一要求。BEA JRockit/IBM J9不存在永久代的概念
- 当年使用永久代，不是好的idea，导致Java程序更容易OOM（超过-XX:MaxPerSize上限）

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。
JDK7以前
- 通过-XX:PermSize来设置永久代初始分配空间。默认20.75M
- -XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配空间，32位机器默认64M，64位机器是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和-XX:MaxMetaspaceSize指定，替代上述原有的两个参数
- 默认依赖于平台，windows下MetaspaceSize是21M，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21M，这就是初始的高水位线，一旦触及这个水位线，FullGC将会触发并卸载没用的类，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FullGC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

// 以jdk8为例，参数设置-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
public class JavaMethodAreaOOM extends ClassLoader{
    public static void main(String[] args) {
        int j = 0;
        try {
            JavaMethodAreaOOM test = new JavaMethodAreaOOM();
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                //创建classWriter对象，用于生成类的二进制字节码
                ClassWriter classWriter = new ClassWriter(0);
                //指明版本号,修改符，类名，包名，父类，接口
                classWriter.visit(Opcodes.V1_8,Opcodes.ACC_PUBLIC,"Class" + i,null,"java/lang/Object",null);;
                //返回byte[]
                byte[] code = classWriter.toByteArray();
                //类加载
                test.defineClass("Class" + i,code,0,code.length);
                j++;
            }
        }finally {
            System.out.println(j);
        }
    }
}
//运行结果
8531
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
	at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)
	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:642)
	at com.chapter06.JavaMethodAreaOOM.main(JavaMethodAreaOOM.java:23)

如何解决OOM

要解决OOM异常或heap space异常，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必要，也就是要先分清到底是出现了内存泄漏还是内存溢出
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，掌握了泄漏对象的类型信息，以及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码位置
如果不存在内存泄漏，也就是说内存中的对象确实都还必须活着，那就应当检查虚拟机的堆参数(-Xms和-Xmx)，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

方法区内部结构

它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

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,volatitle,transient的某个子集)

方法信息

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

non-final的类变量

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。

public class MethodAreaTest {
    public static void main(String[] args) {
        Order order = null;
        order.hello();
        System.out.println(order.count);
    }
}
class Order {
    public static int count = 1;
    public static final int number = 2;
    public static void hello() {
        System.out.println("hello!");
    }
}
//执行结果
hello!
1

全局常量 :final static

被声明为final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

//final static的变量在编译时就会给变量赋值，通过javap -v -p 进行反编译可以查看字节码文件信息
  public static final int number;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
    ConstantValue: int 2

运行时常量池VS常量池

在这里插入图片描述

方法区内部包含了运行时常量池
字节码内部包含了常量池
要弄清方法区，需理解ClassFile,因为加载类的信息都在方法区
要弄清方法区的运行时常量池，需要理解ClassFile中的常量池
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，还包含一项信息就是常量池(Constant Pool Table)，包含各种字面量和对类型、域、方法的符号引用。

为什么需要常量池

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储在字节码里，换一种方式，可以存储到常量池，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

public class SimpleClass {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("hello");
  }
}

虽然只有194字节，但是里面却使用了String、System、PrintStream及Object等结构，如果代码多，引用到的结构会更多，就需要常量池
常量池，可以看作一张表，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、字面量等类型。

运行时常量池

常量池表是Class文件中的一部分，用于存放编译期生成的各个字面量与符号引用，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字段引用，此时不再是常量池中的符号地址，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
运行时常量池类似于传统编程语言中的符号表,但是它所包含的数据却比符号表更加丰富
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

只有Hotspot才有永久代，BEA JRockit、IBM J9不存在永久代
Hotspot中方法区的变化
为什么移除方法区
- 为永久代设置空间大小很难确定
- 对永久代调优比较困难

方法区垃圾回收

常量池中废弃的常量
- 类和接口的全限定名
- 字段的名称和描述符
- 方法的名称描述符
不再使用的类型
- 该类所有实例已被回收，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，否则很难达到
- 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虚拟机被允许对满足上述三个条件的无用类进行回收，不像对象一样，没有引用了就必然回收，关于是否回收，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及OSGi这类频繁自定义类加载器的场景中，通常需要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