方法區

棧、堆、方法區的交互關系

這次所講述的是運行時數據區的最后一個部分——方法區

從線程共享與否的角度來看

ThreadLocal：如何保證多個線程在并發環境下的安全性？典型應用就是數據庫連接管理，以及會話管理

棧、堆、方法區的交互關系

下面就涉及了對象的訪問定位

• Person：存放在元空間，也可以說方法區
• person：存放在 Java 棧的局部變量表中
• new Person()：存放在 Java 堆中

方法區的理解

《Java虛擬機規范》中明確說明：“盡管所有的方法區在邏輯上是屬于堆的一部分，但一些簡單的實現可能不會選擇去進行垃圾收集或者進行壓縮?！钡珜τ?HotSpot JVM 而言，方法區還有一個別名叫做 Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分開。

所以，方法區看作是一塊獨立于 Java 堆的內存空間。

方法區主要存放的是 Class ，而堆中主要存放的是實例化的對象

• 方法區（Method Area）與 Java 堆一樣，是各個線程共享的內存區域。
• 方法區在 JVM 啟動的時候被創建，并且它的實際的物理內存空間中和 Java 堆區一樣都可以是不連續的（邏輯上連續，物理上可以不連續）。
• 方法區的大小，跟堆空間一樣，可以選擇固定大小或者可擴展。
• 方法區的大小決定了系統可以保存多少個類，如果系統定義了太多的類，導致方法區溢出，虛擬機同樣會拋出內存溢出錯誤：java.lang.OutOfMemoryError：PermGen space 或者 java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace
• 加載大量的第三方的 jar 包
• Tomcat 部署的工程過多（30~50個）
• 大量動態的生成反射類
• 關閉 JVM 就會釋放這個區域的內存。

HotSpot 中方法區的演進

在 JDK 7 及以前，習慣上把方法區，稱為永久代。 JDK 8 開始，使用元空間取代了永久代。

• JDK 1.8 后，元空間存放在堆外內存中（In JDK 8, classes metadata is now stored in the native heap and this space is called Metaspace.）

本質上，方法區和永久代并不等價，僅是對 HotSpot 而言的?！禞ava虛擬機規范》對如何實現方法區，不做統一要求。例如：BEAJRockit / IBM J9 中不存在永久代的概念。

現在來看，當年使用永久代，不是好的idea。導致 Java 程序更容易 OOM （超過-XX:MaxPermsize上限）

而到了 JDK 8 ，終于完全廢棄了永久代的概念，改用與 JRockit、J9 一樣在本地內存中實現的元空間（Metaspace）來代替

元空間的本質和永久代類似，都是對 JVM 規范中方法區的實現。不過元空間與永久代最大的區別在于：元空間不在虛擬機設置的內存中，而是使用本地內存

永久代、元空間二者并不只是名字變了，內部結構也調整了

根據《Java虛擬機規范》的規定，如果方法區無法滿足新的內存分配需求時，將拋出 OOM 異常

設置方法區大小與 OOM

方法區的大小不必是固定的， JVM 可以根據應用的需要動態調整。

JDK 7 及以前

• 通過 -XX:PermSize 來設置永久代初始分配空間。默認值是20.75M
• -XX:MaxPermSize 來設定永久代最大可分配空間。32位機器默認是64M，64位機器模式是82M
• 當 JVM 加載的類信息容量超過了這個值，會報異常 OutOfMemoryError:PermGen space。

JDK 8 以后

元數據區大小可以使用參數 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 指定

默認值依賴于平臺。windows下，-XX:MetaspaceSize 是21M，-XX:MaxMetaspaceSize 的值是-1，即沒有限制。

與永久代不同，如果不指定大小，默認情況下，虛擬機會耗盡所有的可用系統內存。如果元數據區發生溢出，虛擬機一樣會拋出異常 OutOfMemoryError:Metaspace

-XX:MetaspaceSize：設置初始的元空間大小。對于一個64位的服務器端 JVM 來說，其默認的 -XX:MetaspaceSize 值為21MB。這就是初始的高水位線，一旦觸及這個水位線，Full GC 將會被觸發并卸載沒用的類（即這些類對應的類加載器不再存活）然后這個高水位線將會重置。新的高水位線的值取決于 GC 后釋放了多少元空間。如果釋放的空間不足，那么在不超過 MaxMetaspaceSize 時，適當提高該值。如果釋放空間過多，則適當降低該值。

如果初始化的高水位線設置過低，上述高水位線調整情況會發生很多次。通過垃圾回收器的日志可以觀察到 Full GC 多次調用。為了避免頻繁地 GC ，建議將 -XX:MetaspaceSize 設置為一個相對較高的值。

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++) {//創建ClassWriter對象，用于生成類的二進制字節碼ClassWriter classWriter = new ClassWriter(0);//指明版本號，public，類名，包名，父類，接口classWriter.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);byte[] code = classWriter.toByteArray();//類的加載test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length);j++;}} finally {System.out.println(j);}} }

運行結果：

如何解決這些 OOM

• 要解決 OOM 異常或 Heap Space 的異常，一般的手段是首先通過內存映像分析工具（如 Eclipse Memory Analyzer）對 dump 出來的堆轉儲快照進行分析，重點是確認內存中的對象是否是必要的，也就是要先分清楚到底是出現了內存泄漏（Memory Leak）還是內存溢出（Memory Overflow）
• 內存泄漏就是有大量的引用指向某些對象，但是這些對象以后不會使用了，但是因為它們還和 GC ROOT 有關聯，所以導致以后這些對象也不會被回收，這就是內存泄漏的問題
• 內存泄漏得不到解決，從而占據滿整個內存空間就會造成內存溢出
• 如果是內存泄漏，可進一步通過工具查看泄漏對象到 GC Roots 的引用鏈。于是就能找到泄漏對象是通過怎樣的路徑與 GC Roots 相關聯并導致垃圾收集器無法自動回收它們的。掌握了泄漏對象的類型信息，以及 GC Roots 引用鏈的信息，就可以比較準確地定位出泄漏代碼的位置。
• 如果不存在內存泄漏，換句話說就是內存中的對象確實都還必須存活著，那就應當檢查虛擬機的堆參數（-Xmx 與 -Xms ），與機器物理內存對比看是否還可以調大，從代碼上檢查是否存在某些對象生命周期過長、持有狀態時間過長的情況，嘗試減少程序運行期的內存消耗。

方法區的內部結構

《深入理解Java虛擬機》書中對方法區（Method Area）存儲內容描述如下：它用于存儲已被虛擬機加載的類型信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼緩存等。

類型信息

對每個加載的類型（類class、接口interface、枚舉enum、注解annotation），JVM 必須在方法區中存儲以下類型信息：

• 這個類型的完整有效名稱（全名=包名.類名）
• 這個類型直接父類的完整有效名（對于interface或是java.lang.object，都沒有父類）
• 這個類型的修飾符（public，abstract，final的某個子集）
• 這個類型直接接口的一個有序列表

域（Field）信息

JVM 必須在方法區中保存類型的所有域的相關信息以及域的聲明順序。

域的相關信息包括：域名稱、域類型、域修飾符（public，private，protected，static，final，volatile，transient 的某個子集）

方法（Method）信息

JVM 必須保存所有方法的以下信息，同域信息一樣包括聲明順序：

• 方法名稱
• 方法的返回類型（或 void ）
• 方法參數的數量和類型（按順序）
• 方法的修飾符（public，private，protected，static，final，synchronized，native，abstract的一個子集）
• 方法的字節碼（bytecodes）、操作數棧、局部變量表及大小（abstract和native方法除外）
• 異常表（abstract和native方法除外）
• 每個異常處理的開始位置、結束位置、代碼處理在程序計數器中的偏移地址、被捕獲的異常類的常量池索引

Non-Final 的類變量

靜態變量和類關聯在一起，隨著類的加載而加載，他們成為類數據在邏輯上的一部分

類變量被類的所有實例共享，即使沒有類實例時，你也可以訪問它

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 void hello() {System.out.println("Hello!");} }

運行結果：

Hello! 1

如上代碼所示，即使我們把 order 設置為 null ，也不會出現空指針異常

全局常量

全局常量就是使用 static final 進行修飾

被聲明為 final 的類變量的處理方法則不同，每個全局常量在編譯的時候就會被分配了。

運行時常量池 VS 常量池

運行時常量池，就是運行時常量池

• 方法區，內部包含了運行時常量池
• 字節碼文件，內部包含了常量池
• 要弄清楚方法區，需要理解清楚 ClassFile ，因為加載類的信息都在方法區。
• 要弄清楚方法區的運行時常量池，需要理解清楚 ClassFile 中的常量池。

常量池

一個有效的字節碼文件中除了包含類的版本信息、字段、方法以及接口等描述符信息外，還包含一項信息就是常量池表（Constant Pool Table），包括各種字面量和對類型、域和方法的符號引用

為什么需要常量池

一個 Java 源文件中的類、接口，編譯后產生一個字節碼文件。而 Java 中的字節碼需要數據支持，通常這種數據會很大以至于不能直接存到字節碼里，換另一種方式，可以存到常量池，這個字節碼包含了指向常量池的引用。r在動態鏈接的時候會用到運行時常量池，之前有介紹。

比如：如下的代碼：

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

雖然上述代碼只有194字節，但是里面卻使用了 String、System、PrintStream 及 Object 等結構。這里的代碼量其實很少了，如果代碼多的話，引用的結構將會更多，這里就需要用到常量池了。

常量池中有什么

幾種在常量池內存存儲的數據類型包括：

• 數量值
• 字符串值
• 類引用
• 字段引用
• 方法引用

例如下面這段代碼

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

Object obj = new Object();將會被翻譯成如下字節碼

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

小結

常量池、可以看做是一張表，虛擬機指令根據這張常量表找到要執行的類名、方法名、參數類型、字面量等類型

運行時常量池

• 運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。
• 常量池表（Constant Pool Table）是 Class 文件的一部分，用于存放編譯期生成的各種字面量與符號引用，這部分內容將在類加載后存放到方法區的運行時常量池中。
• 運行時常量池，在加載類和接口到虛擬機后，就會創建對應的運行時常量池。
• JVM 為每個已加載的類型（類或接口）都維護一個常量池。池中的數據項像數組項一樣，是通過索引訪問的。
• 運行時常量池中包含多種不同的常量，包括編譯期就已經明確的數值字面量，也包括到運行期解析后才能夠獲得的方法或者字段引用。此時不再是常量池中的符號地址了，這里換為真實地址。
• 運行時常量池，相對于 Class 文件常量池的另一重要特征是：具備動態性。
  • String.intern()

• 運行時常量池類似于傳統編程語言中的符號表（Symbol Table），但是它所包含的數據卻比符號表要更加豐富一些。
• 當創建類或接口的運行時常量池時，如果構造運行時常量池所需的內存空間超過了方法區所能提供的最大值，則 JVM 會拋 OutOfMemoryError 異常。

方法區使用舉例

如下代碼

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);} }

字節碼執行過程展示

首先現將操作數500放入到操作數棧中

然后存儲到局部變量表中

然后重復一次，把100放入局部變量表中，最后再將變量表中的500和100取出，進行操作

將500和100進行一個除法運算，在把結果入棧

在最后就是輸出流，需要調用運行時常量池的常量

最后調用 invokevirtual（虛方法調用），然后返回

返回時

程序計數器始終計算的都是當前代碼運行的位置，目的是為了方便記錄方法調用后能夠正常返回，或者是進行了CPU 切換后，也能回來到原來的代碼進行執行。

方法區的演進細節

首先明確：只有 HotSpot 才有永久代。BEA JRockit、IBMJ9 等來說，是不存在永久代的概念的。原則上如何實現方法區屬于虛擬機實現細節，不受《Java虛擬機規范》管束，并不要求統一

HotSpot 中方法區的變化：

| JDK1.6及以前 | 有永久代，靜態變量存儲在永久代上 | | :----------: | ------------------------------------------------------------ | | JDK1.7 | 有永久代，但已經逐步 “去永久代”，字符串常量池，靜態變量移除，保存在堆中 | | JDK1.8 | 無永久代，類型信息，字段，方法，常量保存在本地內存的元空間，但字符串常量池、靜態變量仍然在堆中。 |

JDK 6 的時候

JDK 7 的時候

JDK 8 的時候，元空間大小只受物理內存影響

為什么永久代要被元空間替代？

JRockit 是和 HotSpot 融合后的結果，因為 JRockit 沒有永久代，所以他們不需要配置永久代

隨著 Java 8 的到來，HotSpot VM 中再也見不到永久代了。但是這并不意味著類的元數據信息也消失了。這些數據被移到了一個與堆不相連的本地內存區域，這個區域叫做元空間（Metaspace）。

由于類的元數據分配在本地內存中，元空間的最大可分配空間就是系統可用內存空間，這項改動是很有必要的，原因有：

• 為永久代設置空間大小是很難確定的。

在某些場景下，如果動態加載類過多，容易產生 Perm 區的 OOM 。比如某個實際 Web 工 程中，因為功能點比較多，在運行過程中，要不斷動態加載很多類，經常出現致命錯誤。

“Exception in thread‘dubbo client x.x connector'java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space”

而元空間和永久代之間最大的區別在于：元空間并不在虛擬機中，而是使用本地內存。 因此，默認情況下，元空間的大小僅受本地內存限制。

• 對永久代進行調優是很困難的。
• 主要是為了降低 Full GC

有些人認為方法區（如 HotSpot 虛擬機中的元空間或者永久代）是沒有垃圾收集行為的，其實不然。《Java虛擬機規范》對方法區的約束是非常寬松的，提到過可以不要求虛擬機在方法區中實現垃圾收集。事實上也確實有未實現或未能完整實現方法區類型卸載的收集器存在（如 JDK 11 時期的 ZGC 收集器就不支持類卸載）。 一般來說這個區域的回收效果比較難令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當苛刻。但是這部分區域的回收有時又確實是必要的。以前 Sun 公司的 Bug 列表中，曾出現過的若干個嚴重的 Bug 就是由于低版本的 HotSpot 虛擬機對此區域未完全回收而導致內存泄漏

方法區的垃圾收集主要回收兩部分內容：常量池中廢棄的常量和不在使用的類型

StringTable為什么要調整位置

JDK 7 中將 StringTable 放到了堆空間中。因為永久代的回收效率很低，在 Full GC 的時候才會觸發。而 Full GC 是老年代的空間不足、永久代不足時才會觸發。

這就導致 StringTable 回收效率不高。而我們開發中會有大量的字符串被創建，回收效率低，導致永久代內存不足。放到堆里，能及時回收內存。

靜態變量存放在那里？

靜態引用對應的對象實體始終都存在堆空間

可以使用 jhsdb.ext，需要在 JDK 9 的時候才引入的

public class StaticObject {static class Test {static ObjectHolder staticObj = new ObjectHolder();ObjectHolder instanceObj = new ObjectHolder();void foo() {ObjectHolder localObj = new ObjectHolder();System.out.println("done");}}private static class ObjectHolder {}public static void main(String[] args) {Test test = new StaticObjTest.Test();test.foo();} }

staticObj 隨著 Test 的類型信息存放在方法區，instanceObj 隨著 Test 的對象實例存放在 Java 堆，localObject則是存放在 foo（）方法棧幀的局部變量表中。

測試發現：三個對象的數據在內存中的地址都落在 Eden 區范圍內，所以結論：只要是對象實例必然會在 Java 堆中分配。

接著，找到了一個引用該 staticObj 對象的地方，是在一個 java.lang.Class 的實例里，并且給出了這個實例的地址，通過Inspector查看該對象實例，可以清楚看到這確實是一個 java.lang.Class 類型的對象實例，里面有一個名為 staticObj 的實例字段：

從《Java虛擬機規范》所定義的概念模型來看，所有 Class 相關的信息都應該存放在方法區之中，但方法區該如何實現，《Java虛擬機規范》并未做出規定，這就成了一件允許不同虛擬機自己靈活把握的事情。JDK 7 及其以后版本的 HotSpot 虛擬機選擇把靜態變量與類型在 Java 語言一端的映射 Class 對象存放在一起，存儲于 Java 堆之中，從我們的實驗中也明確驗證了這一點

方法區的垃圾回收

有些人認為方法區（如 HotSpot 虛擬機中的元空間或者永久代）是沒有垃圾收集行為的，其實不然。《Java虛擬機規范》對方法區的約束是非常寬松的，提到過可以不要求虛擬機在方法區中實現垃圾收集。事實上也確實有未實現或未能完整實現方法區類型卸載的收集器存在（如 JDK 11 時期的 ZGC 收集器就不支持類卸載）。

一般來說這個區域的回收效果比較難令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當苛刻。但是這部分區域的回收有時又確實是必要的。以前 Sun 公司的 Bug 列表中，曾出現過的若干個嚴重的 Bug 就是由于低版本的 HotSpot 虛擬機對此區域未完全回收而導致內存泄漏。

方法區的垃圾收集主要回收兩部分內容：常量池中廢棄的常量和不再使用的類型。

先來說說方法區內常量池之中主要存放的兩大類常量：字面量和符號引用。字面量比較接近 Java 語言層次的常量概念，如文本字符串、被聲明為 final 的常量值等。而符號引用則屬于編譯原理方面的概念，包括下面三類常量：

• 類和接口的全限定名
• 字段的名稱和描述符
• 方法的名稱和描述符

HotSpot 虛擬機對常量池的回收策略是很明確的，只要常量池中的常量沒有被任何地方引用，就可以被回收。

回收廢棄常量與回收 Java 堆中的對象非常類似。（關于常量的回收比較簡單，重點是類的回收）

判定一個常量是否“廢棄”還是相對簡單，而要判定一個類型是否屬于“不再被使用的類”的條件就比較苛刻了。需要同時滿足下面三個條件：

• 該類所有的實例都已經被回收，也就是 Java 堆中不存在該類及其任何派生子類的實例。
• 加載該類的類加載器已經被回收，這個條件除非是經過精心設計的可替換類加載器的場景，如 OSGi、JSP 的重加載等，否則通常是很難達成的。
• 該類對應的 java.lang.Class 對象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法。

Java 虛擬機被允許對滿足上述三個條件的無用類進行回收，這里說的僅僅是“被允許”，而并不是和對象一樣，沒有引用了就必然會回收。關于是否要對類型進行回收，HotSpot 虛擬機提供了 -Xnoclassgc 參數進行控制，還可以使用 -verbose:class 以及 -XX:+TraceClass-Loading、-XX:+TraceClassUnLoading 查看類加載和卸載信息

在大量使用反射、動態代理、CGLib 等字節碼框架，動態生成 JSP 以及 OSGi 這類頻繁自定義類加載器的場景中，通常都需要 Java 虛擬機具備類型卸載的能力，以保證不會對方法區造成過大的內存壓力。

總結

常見面試題

百度 三面：說一下 JVM 內存模型吧，有哪些區？分別干什么的？

螞蟻金服： Java 8 的內存分代改進 JVM 內存分哪幾個區，每個區的作用是什么？ 一面：JVM 內存分布/內存結構？棧和堆的區別？堆的結構？為什么兩個 Survivor 區？ 二面：Eden 和 Survior 的比例分配

小米： JVM 內存分區，為什么要有新生代和老年代

字節跳動： 二面：Java 的內存分區 二面：講講 JVM 運行時數據庫區 什么時候對象會進入老年代？

京東： JVM 的內存結構，Eden 和 Survivor 比例。 JVM 內存為什么要分成新生代，老年代，持久代。新生代中為什么要分為 Eden 和 Survivor 。

天貓： 一面：JVM 內存模型以及分區，需要詳細到每個區放什么。 一面：JVM 的內存模型，Java 8 做了什么改

拼多多： JVM 內存分哪幾個區，每個區的作用是什么？

美團： Java 內存分配 JVM 的永久代中會發生垃圾回收嗎？ 一面：JVM 內存分區，為什么要有新生代和老年代？

總結

以上是生活随笔為你收集整理的常量池在堆还是方法区_第九章_方法区的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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