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- 查看详细的思维导图和更好的文档排版，请访问语雀：[第9章 - 方法区](https://www.yuque.com/docs/share/f44de903-4662-4d00-bd29-426e56574a36?# 《第9章 - 方法区》)
- 1.方法区的栈、堆、交互关系
- 2.理解方法区
-
- 2.1 方法区的位置
- 2.2 了解方法区
- 2.3 Hotspot中方法区的演变过程
- 3.设置方法区的大小OOM
-
- 3.1 JDK7 永久代
- 3.2 JDK8 元空间
- 3.3 方法区OOM
- 3.4 如何解决OOM？
- 4.方法区内部结构
-
- 4.1 方法区结构
-
- 4.1.1 类型信息
- 4.1.2 域（Field）信息
- 4.1.3 方法（Method）信息
- 4.2 域信息特殊情况
- 4.3 常量池运行
- 5.在方法区使用例子
- 6.方法区的演变细节
-
- 6.1 永久演变过程
- 6.2 为什么要永久替代元空间？
- 6.3 字符串常量池
- 6.4 静态变量位置
- 7.方法区垃圾回收
-
- 7.1 常量回收方法区
- 7.2 回收方法区
- 8.运行时数据区总结
- 9.大厂面试题
1.方法区的栈、堆、交互关系
从内存结构的角度来看
[外链图片转存失败，源站可能有防盗链机制，建议保存图片并直接上传(img-scHvi4Vm-1658074919694)(https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/2707463/1647705202837-7fe94710-3708-4eb0-9e57-d91629c9a0be.png#clientId=u4961e6c1-2f0d-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&id=uad1d3ef2&margin=[object Object]&name=image.png&originHeight=708&originWidth=2252&originalType=url&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=596495&status=done&style=none&taskId=u003b5e6e-e850-473b-a237-2fe25a57670&title=)]
从线程共享与否的角度来看
ThreadLocal：如何保证并发环境中多线程的安全？典型的应用是数据库连接管理和独立会话管理
方法区的栈、堆、交互关系
- Person 类的 .class 在方法区存储信息
- person 变量存放在 Java 栈的局部变量表中
- 真正的 person 对象存放在 Java 堆中
在 person 在对象中，个指针指向方法区 person 类型数据，表示此 person 对象在方法区 Person 类 new 出来的
2.理解方法区
官方文档
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2.1 方法区的位置
- 《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，方法区可以看作是一块独立于Java堆的内存空间。
2.2 方法区的理解
方法区主要存放的是 Class 模板，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
- 多个线程同时加载统一个类时，只能有一个线程能加载该类，其他线程只能等等待该线程加载完毕，然后直接使用该类，即类只能加载一次。
- 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。
- 方法区是接口，元空间或者永久代是方法区的实现
- 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（JDK7之前）
- java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace（JDK8之后）
- 举例说明方法区 OOM
- 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。
/** * -Xms600m -Xmx600m */
public class EdenSurvivorTest {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("我只是来打个酱油~");
try {
Thread.sleep(1000000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
简单的程序，加载了好多类可以看到设置堆内存为600M后，年轻代+老年代=600M，所以说方法区是不存在堆中的
2.3 Hotspot中方法区的演进过程
- 。JDK 1.8之后，元空间存放在
- 我们可以将方法区类比为Java中的接口，将永久代或元空间类比为Java中具体的实现类
- 本质上，方法区和永久代并不等价。仅是对Hotspot而言的可以看作等价。《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）
- 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
- 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：
- 永久代、元空间二者并不只是名字变了，
- 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
3.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
3.1 JDK7 永久代
- 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。
3.2 JDK8 元空间
- 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 约为21M，。
- 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，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），。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。。
/** * 测试设置方法区大小参数的默认值 * * jdk7及以前： * -XX:PermSize=100m -XX:MaxPermSize=100m * * jdk8及以后： * -XX:MetaspaceSize=100m -XX:MaxMetaspaceSize=100m */
public class MethodAreaDemo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("start...");
try {
Thread.sleep(1000000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("end...");
}
}
JVM参数-XX:MetaspaceSize=100m -XX:MaxMetaspaceSize=100m终端命令查看设置的元空间大小
3.3 方法区OOM
OOMTest 类继承 ClassLoader 类，获得 defineClass() 方法，可自己进行类的加载
/** * jdk6/7中： * -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m * * jdk8中： * -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m */
public class OOMTest extends ClassLoader {
public static void main(String[] args) {
int j = 0;
try {
OOMTest test = new OOMTest();
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，修饰符，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();
//类的加载
test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length); //Class对象
j++;
}
} finally {
System.out.println(j);
}
}
}
不设置元空间的上限
使用默认的 JVM 参数，元空间不设置上限10000
设置元空间的上限
JVM 参数-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m元空间出现 OOM
3.4 如何解决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GC Roots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GC Roots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。
4.方法区的内部结构
4.1 方法区结构
《深入理解Java虚拟机》书中对方法区（Method Area）存储内容描述如下：它用于存储已被虚拟机加载的等。
4.1.1 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（全类名=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
4.1.2 域（Field）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。
- 域信息通俗来讲是类的成员变量
- 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）
4.1.3 方法（Method）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（包括 void 返回类型），void 在 Java 中对应的类为 void.class
- 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）
- 异常表记录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
/** * 测试方法区的内部构成 */
public class MethodInnerStrucTest extends Object implements Comparable<String>, Serializable {
//属性
public int num = 10;
private static String str = "测试方法的内部结构";
//构造器没写
//方法
public void test1() {
int count = 20;
System.out.println("count = " + count);
}
public static int test2(int cal) {
int result = 0;
try {
int value = 30;
result = value / cal;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return result;
}
@Override
public int compareTo(String o) {
return 0;
}
}
- 反编译字节码文件，并输出到文本文件中，便于查看
- 参数 -p 确保能查看 private 权限类型的字段或方法
javap -v -p MethodInnerStrucTest.class > Text.txt
- 在运行时方法区中，类信息中记录了哪个加载器加载了该类，同时类加载器也记录了它加载了哪些类
- 从反编译文件可以看出，字节码文件记录了 MethodInnerStrucTest 继承了哪些类，实现了哪些方法
//类型信息
public class cn.sxt.java.MethodInnerStrucTest extends java.lang.Object
implements java.lang.Comparable<java.lang.String>, java.io.Serializable
- descriptor: I 表示字段类型为 Integer
- flags: ACC_PUBLIC 表示字段权限修饰符为 public
//域信息
public int num;
descriptor: I
flags: ACC_PUBLIC
private static java.lang.String str;
descriptor: Ljava/lang/String;
flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC
- descriptor: ( )V 表示方法返回值类型为 void
- flags: ACC_PUBLIC 表示方法权限修饰符为 public
- stack=3 表示操作数栈深度为 3
- locals=2 表示局部变量个数为 2 个（实力方法包含 this）
- test1( ) 方法虽然没有参数，但是其 args_size=1 ，这是因为将 this 作为了参数
4.2 域信息特殊情况
non-final 类型的类变量
- ，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共享，即使没有类实例时，你也可以访问它
代码示例
- 如下代码所示，即使我们把order设置为null，也不会出现空指针异常
- 这更加表明了 static 类型的字段和方法随着类的加载而加载，并不属于特定的类实例
/** * non-final的类变量 */
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!");
}
}
程序运行结果
全局常量：static final
- 全局常量就是使用 static final 进行修饰
- 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。
class Order {
public static int count = 1;
public static final int number = 2;
public static void hello() {
System.out.println("hello!");
}
}
反编译，查看字节码指令，可以发现 number 的值已经写死在字节码文件中了
public static int count;
descriptor: I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
public static final int number;
descriptor: I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
ConstantValue: int 2
4.3 运行时常量池
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运行时常量池 VS 常量池
- 要弄清楚方法区，需要理解清楚ClassFile，因为加载类的信息都在方法区。
- 要弄清楚方法区的运行时常量池，需要理解清楚ClassFile中的常量池。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-TOCzAfvM-1658074919700)(https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/2707463/1647705206386-091c2196-4ac2-4346-8c74-110147744ecb.png#clientId=u4961e6c1-2f0d-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&height=338&id=ue8fed1c0&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=597&originWidth=1115&originalType=url&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=627403&status=done&style=none&taskId=u73266acc-c9d9-40ef-9fd1-09cbea2bf5d&title=&width=631)]
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符信息外
- 还包含一项信息就是（），包括
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到字节码里，换另一种方式，可以存到常量池
- 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 void sayHello() {
System.out.println("hello");
}
}
- 虽然上述代码只有194字节，但是里面却使用了String、System、PrintStream及Object等结构。
- 如果不使用常量池，就需要将用到的类信息、方法信息等记录在当前的字节码文件中，造成文件臃肿
- 所以我们将所需用到的结构信息记录在常量池中，并通过，来加载、调用所需的结构
- 这里的代码量其实很少了，如果代码多的话，引用的结构将会更多，这里就需要用到常量池了。
常量池中有什么？
- 数量值
- 字符串值
- 类引用
- 字段引用
- 方法引用
/** * 测试方法区的内部构成 */
public class MethodInnerStrucTest extends Object implements Comparable<String>, Serializable {
//属性
public int num = 10;
private static String str = "测试方法的内部结构";
//构造器没写
//方法
public void test1() {
int count = 20;
System.out.println("count = " + count);
}
public static int test2(int cal) {
int result = 0;
try {
int value = 30;
result = value / cal;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return result;
}
@Override
public int compareTo(String o) {
return 0;
}
}
- 来看下最简单的 test1( ) 方法，带 # 的字节码指令，就使用到了常量池的引用
- 通过字节码指令可以看出，
常量池
常量池总结
常量池，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
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字节码文件的一部分，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。。
- 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() 放入一个字符串到常量池。
- 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。
5.方法区使用举例
public class MethodAreaDemo {
public static void main(String[] args) {
int x = 500;
int y = 100;
int a = x / y;
int b = 50;
System.out.println(a + b);
}
}
图解字节码指令执行流程
字节码执行过程展示：初始状态首先将操作数500压入操作数栈中然后将操作数 500 从操作数栈中取出，存储到局部变量表中索引为 1 的位置[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AhImBHno-1658074919705)(https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/2707463/1647705207441-568bf0eb-56b6-4aaf-95f8-cf6996011d75.png#clientId=u4961e6c1-2f0d-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&height=338&id=u3185f12b&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=614&originWidth=1156&originalType=url&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=375670&status=done&style=none&taskId=u9df15903-c695-4f90-a282-0037a921e9c&title=&width=637)]将操作数100压入操作数栈中然后操作数 100 从操作数栈中取出，存储到局部变量表中索引为 2 的位置![image.png](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/f24b909824c769e79a5d9655aed9619f.png#clientId=u4961e6c1-2f0d-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&height=333&id=uc31def2d&margin=[object Object]&name=image.png&originHeight=702&originWidth=1342&originalType=url&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=390479&status=done&style=none&taskId=ua280ec9f-92f8-4941-aa5d-c3a243e1c9a&title=&am