Discount Designer Watches: 运行时数据区03--方法区

栈、堆、方法区的交互关系

从线程共享与否的角度

线程共享：堆、元空间
线程私有：虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器

交互关系图1

交互关系图2

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 Hotspot JVM 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。

方法区的基本理解

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。

方法区的大小決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。

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。

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： BEA Jrockit/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

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

设置方法区大小与OOM

设置方法区内存大小

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及以前
- -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位机器默认是82M
- 当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报异常OutOfMemoryError：PremGen space
jdk8及以后
- 元数据区大小可以使用参数-XX: MetaspacesSize 和-XX: MaxMetaspaceSize：指定，替代上述原有的两个参数
- 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，虛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），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 Full GC 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。

如何解决这些OOM

1、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）。

2、如果是内存泄漏，可进一步通过工具看泄漏对象到 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。

3、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，那就应当检査虚拟机的堆参数（-Xmx 与-Xms），与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情，尝试减少程序运行期的内存消耗。

方法区的内部结构

方法区存储什么？

《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：

①这个类型的完整有效名称（全名=包名.类名）

②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）

③这个类型的修饰符（public, abstract, final 的某个子集）

④这个类型直接接口的一个有序列表

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（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（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
补充说明：全局常量：static final
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

运行时常量池

运行时常量池VS常量池
- 方法区，内部包含了运行时常量池。
- 字节码文件，内部包含了常量池。
  - 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，还包含一项信息那就是常量池表（COnstant pool table），包括各种字面量和对类型、域和方法的符号引用
- 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
为什么需要常量池？
- 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，之前有介绍
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
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 ()
- 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。