申明:本文是基于HotSpot来学习说明的。方法区是堆上的一个概念,具体的落地实现是永久代或者元空间,它们都统称方法区。

1. 方法区

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图

从线程的角度来看运行时数据区:

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(1)

创建对象各数据区域的声明:

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(2)

方法区理解

元空间、永久代是方法区具体的落地实现。方法区看作是一块独立于Java堆的内存空间,它主要是用来存储所加载的类信息的

👉【oracle官方文档】The Structure of the Java Virtual Machine

《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”。对HotSpot而言,方法区还有一个别名叫做Non-Heap(非堆),的就是要和堆分开。

  • 方法区(Method Area)同堆区一样,是各个线程共享的内存区域
  • 方法区和堆区都是在实际的物理内存空间中,可以是不连续的
  • 方法区的大小和堆空间一样可以动态调整或者固定
  • 方法区的大小决定了系统可以加载多少个类。 如果系统定义的类太多,可能会产生OOM
    • 加载了大量的第三方jar包
    • Tomcat部署的工程过多

JDK7及之前:java.lang.OutOfMemoryError:PermGen [永久代]

JDK8及之后:java.lang.OutOfMemoryError:Metaspae [元空间]

  • 关闭JVM就会释放方法区的内存

方法区的演进

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(3)
JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(4)

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。

  • 当年使用永久代,更容易导致Java程序更容易OOM。永久代仍然使用的是Java虚拟机的内存
  • 在JDK8中,类的元数据现在存储在本地内存中,这个空间被称为元空间。

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

【JDK7方法区使用的是虚拟机内存,同时将静态变量和字符串常量池搬移到了堆上】

Oracle官方文档说明:

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(5)
JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(6)

【JDK8将永久代改为元空间,使用的是本地内存】

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(7)
  • 相对于虚拟机的内存,本地内存空间更大,更不容易出现OOM
  • 永久代、元空间二者并不只是名字变了,内部结构也调整了

永久代为什么要被替换为元空间

【Oracle官方解释】

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(8)

【翻译】这是JRockit和Hotspot聚合工作的一部分。JRockit客户不需要配置永久生成(因为JRockit没有永久代),并且习惯于不配置永久生成。

好家伙,这解释果然是通俗易懂。收购了JRockit,为了用户方便,怎么喜欢怎么来呗!别人没有,我也不要了。。。

【解释】

  1. 因为永久代使用的是虚拟机的内存,为永久代设置空间大小是很难确定的,而元空间的大小仅受本地内存限制
  2. 对永久代进行调优是很困难的

方法区的设置与OOM

元数据区大小可以使用参数-XX:MetaspaceSize-XX:MaxMetaspaceSize指定替代永久代原有的两个参数。

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。

元空间与永久代不同,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


2. 方法区的内部结构

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(9)

类加载器将Class文件加载到内存之后,将类的信息存储到方法区中。

方法区中存储的内容:

  • 类型信息(域信息、方法信息)
  • 运行时常量池
JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(10)

类型信息

对每个加载的类型(类Class、接口 interface、枚举enum、注解 annotation),JM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

域信息

域信息,即为类的属性,成员变量

JVM必须在方法区中保存类所有的成员变量相关信息及声明顺序。

域的相关信息包括:域名称、域类型、域修饰符(pυblic、private、protected、static、final、volatile、transient的某个子集)

方法信息

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:

  1. 方法名称方法的返回类型(或void)
  2. 方法参数的数量和类型(按顺序)
  3. 方法的修饰符public、private、protected、static、final、synchronized、native,、abstract的一个子集
  4. 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)
  5. 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

3. 运行时常量池

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(11)

对字节码文件反编译之后,查看常量池相关信息:

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(12)

注意:这里说的是常量池,而不是运行时常量池

运行时常量池vs常量池

方法区中,内部包含了运行时常量池

字节码文件中,内部包含了常量池

常量池:存放编译期间生成的各种字面量与符号引用

运行时常量池:常量池表在运行时的表现形式

编译后的字节码文件中包含了类型信息、域信息、方法信息等。通过ClassLoader将字节码文件的常量池中的信息加载到内存中,存储在了方法区的运行时常量池中。

理解为字节码中的常量池Constant pool只是文件信息,它想要执行就必须加载到内存中。而Java程序是靠JVM,更具体的来说是JVM的执行引擎来解释执行的。执行引擎在运行时常量池中取数据,被加载的字节码常量池中的信息是放到了方法区的运行时常量池中。

它们不是一个概念,存放的位置是不同的。一个在字节码文件中,一个在方法区中。

要弄清楚方法区的运行时常量池,需要理解清楚字节码中的常量池。

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。

常量池表Constant pool table:

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(13)

在方活中对常量池表的符号引用

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(14)

为什么需要常量池?

举例来说:

public class Solution {
    public void method() {
        System.out.println("Hello");
    }
}
12345

这段代码很简单,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!这里就需要常暈池,将这些引用转变为符号引用,具体用到时,采取加载。

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。

4. 代码追踪方法区的使用

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(15)

通过javap-v -p反编译后查看字节码文件:

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(16)
public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
        //操作数栈  局部变量表  方法形参
        stack=3, locals=5, args_size=1
            0: sipush      500     //将500压入操作数栈中
            3: istore_1            //将操作数栈中的500存储到局部变量表的1号槽位(0号为形参args,如果
                                     //无形产则存放(this)

            4: bipush      100     //将100放入操作数栈中
            6: istore_2            //将操作数栈中的100存储到局部变量表的2号槽位
            7: iload_1             //读取局部变量表1号Slot(槽位),将数据500压入操作数栈
            8: iload_2             //读取局部变量表2号Slot,将数据100压入操作数栈
            9: idiv             //先出栈,对栈中500和100做除法,将结果5再存入栈中(500和100不再进栈)
            10: istore_3           //操作数栈中的5存储到局部变量表的3号槽位
            11: bipush      50     //定义一个int类型的变量值为50
            13: istore      4      //存储到局部变量表的4号槽位
            15: getstatic   #2     //符号引用做赋值(#31,#32,#33)
            18: iload_3            //将局部变量表3号Slot的数取出(5)
            19: iload       4      //将局部变量表4号Slot的数取出(50)
            21: iadd               //出栈,对栈中5和50做加法,将结果55再存入栈中(500和100不再进栈)
            22: invokevirtual #3   // Method java/io/PrintStream.println:(I)V符号引用做输出
                                   // (#34,#35,#36)
            25: return             //将计算结果返回,结束方法的调用
        LineNumberTable:
            line 10: 0
            line 11: 4
            line 12: 7
            line 13: 11
            line 14: 15
            line 15: 25
        LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0      26     0  args   [Ljava/lang/String;
                4      22     1     x   I
                7      19     2     y   I
                11      15     3     a   I
                15      11     4     
b   I

SourceFile: "Solution.java"

【详解】:

内存操作图解

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(17)

将500压入操作数栈中:

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(18)

将操作数栈中的500存储到局部变量表的1号槽位(0号为形参args,如果无形产则存放(this)

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(19)

将100放入操作数栈中

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(20)

将操作数栈中的100存储到局部变量表的2号槽位

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(21)

读取局部变量表1号Slot(槽位),将数据500压入操作数栈

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(22)

读取局部变量表2号Slot,将数据100压入操作数栈

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(23)
  1. 先出栈,对栈中数据500和100做除法,将结果5再存入栈中(500和100不再进栈)
  2. 操作数栈中的5存储到局部变量表的3号槽位
JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(24)

定义一个int类型的变量值为50

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(25)

存储到局部变量表的4号槽位

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(26)

真正在执行时,将符号引用转为直接引用

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(27)

将局部变量表3号Slot的数取出(5)

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(28)

将局部变量表4号Slot的数取出(50)

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(29)

出栈,对栈中数据5和50做加法,将结果55再存入栈中(500和100不再进栈)

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(30)

符号引用做输出(#34,#35,#36)

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(31)

将计算结果返回,结束方法的调用

JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(32)

原文链接:https://blog.csdn.net/weixin_43232955/article/details/107411378



JVM方法区、堆及内部的结构详解插图(33)

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