JVM方法区

JVM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。方法区看作是一块独立于Java堆的内存空间。

1.特点

• 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 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

• 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)

到了JDK 8，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:元空间不在虚拟机设置的内存中，而是使用本地内存，内部结构也调整了。

2.内部结构

《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类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等。

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

2.1域(Fieid)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，privateprotected,static,final,volatile，transient的某个子集)

2.2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

2.3non-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。

• 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。

2.4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。

• 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。

• 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。

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，之前有介绍。

2.4.1常量池有什么

• 数量值

• 字符串值

• 类引用

• 字段引用

• 方法引用

下面这段代码将会编译成

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、字面量等类型

2.5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。

• 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。

3.方法区的演进

首先明确: 只有HotSpot才有永久代。BEA JRockit、IBM J9等来说，是不存在永久代的概念的。原则上如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受《Java虚拟机规范》管束，并不要求统一

Hotspot中方法区的变化:

3.1永久代为什么会被元空间替换

Oracle官方是这么说的

地址：https://openjdk.org/jeps/122

随着Java8的到来，HotSpot VM 中再也见不到永久代了。但是这并不意味着类的元数据信息也消失了。这些数据被移到了一个与堆不相连的本地内存区域，这个区域叫做元空间( Metaspace )。

由于类的元数据分配在本地内存中，元空间的最大可分配空间就是系统可用内存空间。

主要原因：

• 内存限制和溢出问题：永久代的大小是固定的，并且不会自动扩展。在加载大量类或者动态生成类时，容易导致永久代内存溢出。这种情况下，需要手动调整永久代大小，并且很难确定合适的大小。在某些场景下，如果动态加载类过多，容易产生Perm 区的OOM 。比如某个实际web工程中，因为功能点比较多，在运行过程中，要不断动态加载很多类，经常出现致命错误。

• 对永久代进行调优是很困难的。垃圾回收效率低:永久代使用传统的垃圾回收器进行垃圾回收，而传统垃圾回收器主要针对堆内存进行优化。由于永代中存在大量不会被回收的类和元数据信息，导致垃圾回收效率低下。

• 类卸载困难:在永久代中加载的类一般不会被卸载，即使它们已经不再使用。这可能导致内存泄漏和占用大量内存空间。

而元空间和永久代之间最大的区别在于:元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。

4.方法区的垃圾回收

有些人认为方法区了如Hotspot虚拟机中的元空间或者永久代)是没有垃圾收集行为的，其实不然。《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。事实上也确实有未实现或未能完整实现方法区类型卸载的收集器存在(如JDK 11时期的ZGC收集器就不支持类卸载)

一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻。但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。以前Sun公司的Bug列表中，曾出现过的若干个严重的Bug就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

方法区的垃圾收集主要回收两部分内容:常量池中废弃的常量和不再使用的类型。

在JVM的永久代（Permanent Generation）中，是存在垃圾回收的。然而，与堆内存中的垃圾回收机制不同，永久代的垃圾回收机制相对简单，并且不会像堆内存那样频繁进行垃圾回收。

在早期的JVM版本中，永久代使用传统的垃圾回收器进行垃圾回收。但是由于永久代中存放的是类的元数据、常量池、静态变量等信息，这些对象一般不会被释放或卸载。因此，永久代的垃圾回收主要针对无效或废弃的类进行清理。

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

4.1永久代会进行垃圾回收吗

在JVM的永久代（Permanent Generation）中，是存在垃圾回收的。然而，与堆内存中的垃圾回收机制不同，永久代的垃圾回收机制相对简单，并且不会像堆内存那样频繁进行垃圾回收。

在早期的JVM版本中，永久代使用传统的垃圾回收器进行垃圾回收。但是由于永久代中存放的是类的元数据、常量池、静态变量等信息，这些对象一般不会被释放或卸载。因此，永久代的垃圾回收主要针对无效或废弃的类进行清理。

具体来说，在永久代中发生垃圾回收时，主要执行以下两个操作：

1. 清理无效类：当一个类不再被引用或者没有被任何对象引用时，它就成为无效类。在垃圾回收过程中，JVM会扫描永久代中的类信息，并清理掉这些无效类。
2. 卸载废弃常量：如果一个常量不再被任何类或者对象引用时，它就成为废弃常量。在垃圾回收过程中，JVM也会清理掉这些废弃常量。

需要注意的是，永久代的垃圾回收相对较少，并且在一些JVM实现中，甚至可以禁用永久代的垃圾回收。这是因为永久代中的对象一般不会频繁创建和销毁，而且它们的生命周期很长。然而，在JDK 1.8及以后的版本中，永久代被元空间（Metaspace）所取代，元空间使用与堆内存相同的垃圾回收机制进行内存回收。因此，在这些版本中，元空间会进行更频繁和彻底的垃圾回收。