栈、堆、方法区的交互关系
线程共享角度:
新建对象分配:
方法区的理解
- 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，并且它的实际物理内存空间中和 Java 堆区一样都可以不连续的
- 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的错误: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space (jdk7 及 jdk7之前) 或者 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace (jdk7之后)
- 关闭 JVM 救护释放这个区域的内存
- 元空间和永久代最大区别: 元空间不在虚拟机设置的内存中，而是使用本地内存
设置方法区大小与OOM
| 版本 | 参数 | 说明 |
| jdk7 及 以前 | -XX:PermSize | 设置永久代初始化分配空间，默认值是 20.75M |
| -XX:MaxPermSize | 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 | |
| jdk8 及 以后 | -XX:MetaspaceSize | 设置元空间初始化分配空间，默认值是 21M，避免 Full GC 频繁，尽量设置大一些 |
| -XX:MaxMetaspaceSize | 默认是-1，即没有限制 |
OOM 示例代码:
import com.sun.xml.internal.ws.org.objectweb.asm.ClassWriter;
import jdk.internal.org.objectweb.asm.Opcodes;
/**
* jdk8: -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10
*/
public class OOMMethodTest extends ClassLoader{
public static void main(String[] args) {
int j = 0;
try {
OOMMethodTest oomMethodTest = new OOMMethodTest();
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();
oomMethodTest.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length); // class 对象
j++;
}
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}finally {
System.out.println(j);
}
}
}
如何解决 OOM:
- 首先通过内存映射分析工具 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 )
- 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他们的。掌握了泄漏对象的类型信息，以及 GC Roots 引用链的信息，就可以比较准确定位出泄露代码的位置
- 如果不存在内存泄漏，那就应该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需要调大，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
方法区的内部结构
它用于存储已被虚拟机加载的类型信息(域信息，方法信息)、常量、静态变量、及时编译期编译后的代码缓存等。
实例代码:
import java.io.Serializable;
public class MethodInnerStrucTest extends Object implements Comparable<String>, Serializable {
// 属性
private int num = 10;
private static String str = "测试方法的内部结构";
// 构造器
// 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;
}
}
执行 javap -v -p：
Classfile /E:/workspace/bxtech/bxtech/bxtech-test/target/classes/com/bxtech/jvm/MethodInnerStrucTest.class
Last modified 2023-5-12; size 1620 bytes
MD5 checksum 9efe01e181b9d9d60d967d9e19492a26
Compiled from "MethodInnerStrucTest.java"
// 类型信息
public class com.bxtech.jvm.MethodInnerStrucTest extends java.lang.Object implements java.lang.Comparable<java.lang.String>, java.io.Serializable
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #18.#52 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #17.#53 // com/bxtech/jvm/MethodInnerStrucTest.num:I
#3 = Fieldref #54.#55 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#4 = Class #56 // java/lang/StringBuilder
#5 = Methodref #4.#52 // java/lang/StringBuilder."<init>":()V
#6 = String #57 // count=
#7 = Methodref #4.#58 // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
#8 = Methodref #4.#59 // java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
#9 = Methodref #4.#60 // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
#10 = Methodref #61.#62 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
#11 = Class #63 // java/lang/Exception
#12 = Methodref #11.#64 // java/lang/Exception.printStackTrace:()V
#13 = Class #65 // java/lang/String
#14 = Methodref #17.#66 // com/bxtech/jvm/MethodInnerStrucTest.compareTo:(Ljava/lang/String;)I
#15 = String #67 // 测试方法的内部结构
#16 = Fieldref #17.#68 // com/bxtech/jvm/MethodInnerStrucTest.str:Ljava/lang/String;
#17 = Class #69 // com/bxtech/jvm/MethodInnerStrucTest
#18 = Class #70 // java/lang/Object
#19 = Class #71 // java/lang/Comparable
#20 = Class #72 // java/io/Serializable
#21 = Utf8 num
#22 = Utf8 I
#23 = Utf8 str
#24 = Utf8 Ljava/lang/String;
#25 = Utf8 <init>
#26 = Utf8 ()V
#27 = Utf8 Code
#28 = Utf8 LineNumberTable
#29 = Utf8 LocalVariableTable
#30 = Utf8 this
#31 = Utf8 Lcom/bxtech/jvm/MethodInnerStrucTest;
#32 = Utf8 test1
#33 = Utf8 count
#34 = Utf8 test2
#35 = Utf8 (I)I
#36 = Utf8 value
#37 = Utf8 e
#38 = Utf8 Ljava/lang/Exception;
#39 = Utf8 cal
#40 = Utf8 result
#41 = Utf8 StackMapTable
#42 = Class #63 // java/lang/Exception
#43 = Utf8 compareTo
#44 = Utf8 (Ljava/lang/String;)I
#45 = Utf8 o
#46 = Utf8 (Ljava/lang/Object;)I
#47 = Utf8 <clinit>
#48 = Utf8 Signature
#49 = Utf8 Ljava/lang/Object;Ljava/lang/Comparable<Ljava/lang/String;>;Ljava/io/Serializable;
#50 = Utf8 SourceFile
#51 = Utf8 MethodInnerStrucTest.java
#52 = NameAndType #25:#26 // "<init>":()V
#53 = NameAndType #21:#22 // num:I
#54 = Class #73 // java/lang/System
#55 = NameAndType #74:#75 // out:Ljava/io/PrintStream;
#56 = Utf8 java/lang/StringBuilder
#57 = Utf8 count=
#58 = NameAndType #76:#77 // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
#59 = NameAndType #76:#78 // append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
#60 = NameAndType #79:#80 // toString:()Ljava/lang/String;
#61 = Class #81 // java/io/PrintStream
#62 = NameAndType #82:#83 // println:(Ljava/lang/String;)V
#63 = Utf8 java/lang/Exception
#64 = NameAndType #84:#26 // printStackTrace:()V
#65 = Utf8 java/lang/String
#66 = NameAndType #43:#44 // compareTo:(Ljava/lang/String;)I
#67 = Utf8 测试方法的内部结构
#68 = NameAndType #23:#24 // str:Ljava/lang/String;
#69 = Utf8 com/bxtech/jvm/MethodInnerStrucTest
#70 = Utf8 java/lang/Object
#71 = Utf8 java/lang/Comparable
#72 = Utf8 java/io/Serializable
#73 = Utf8 java/lang/System
#74 = Utf8 out
#75 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#76 = Utf8 append
#77 = Utf8 (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
#78 = Utf8 (I)Ljava/lang/StringBuilder;
#79 = Utf8 toString
#80 = Utf8 ()Ljava/lang/String;
#81 = Utf8 java/io/PrintStream
#82 = Utf8 println
#83 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
#84 = Utf8 printStackTrace
{
// 域信息
private int num;
descriptor: I
flags: ACC_PRIVATE
private static java.lang.String str;
descriptor: Ljava/lang/String;
flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC
// 构造器 方法
public com.bxtech.jvm.MethodInnerStrucTest();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: bipush 10
7: putfield #2 // Field num:I
10: return
LineNumberTable:
line 5: 0
line 7: 4
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 11 0 this Lcom/bxtech/jvm/MethodInnerStrucTest;
// 方法信息
public void test1();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=2, args_size=1
0: bipush 20
2: istore_1
3: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
6: new #4 // class java/lang/StringBuilder
9: dup
10: invokespecial #5 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
13: ldc #6 // String count=
15: invokevirtual #7 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
18: iload_1
19: invokevirtual #8 // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
22: invokevirtual #9 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
25: invokevirtual #10 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
28: return
LineNumberTable:
line 13: 0
line 14: 3
line 15: 28
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 29 0 this Lcom/bxtech/jvm/MethodInnerStrucTest;
3 26 1 count I
public static int test2(int);
descriptor: (I)I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: iconst_0
1: istore_1
2: bipush 30
4: istore_2
5: iload_2
6: iload_0
7: idiv
8: istore_1
9: goto 17
12: astore_2
13: aload_2
14: invokevirtual #12 // Method java/lang/Exception.printStackTrace:()V
17: iload_1
18: ireturn
Exception table:
from to target type
2 9 12 Class java/lang/Exception
LineNumberTable:
line 18: 0
line 20: 2
line 21: 5
line 24: 9
line 22: 12
line 23: 13
line 25: 17
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
5 4 2 value I
13 4 2 e Ljava/lang/Exception;
0 19 0 cal I
2 17 1 result I
StackMapTable: number_of_entries = 2
frame_type = 255 /* full_frame */
offset_delta = 12
locals = [ int, int ]
stack = [ class java/lang/Exception ]
frame_type = 4 /* same */
public int compareTo(java.lang.String);
descriptor: (Ljava/lang/String;)I
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=2, args_size=2
0: iconst_0
1: ireturn
LineNumberTable:
line 29: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 2 0 this Lcom/bxtech/jvm/MethodInnerStrucTest;
0 2 1 o Ljava/lang/String;
public int compareTo(java.lang.Object);
descriptor: (Ljava/lang/Object;)I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_BRIDGE, ACC_SYNTHETIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: aload_0
1: aload_1
2: checkcast #13 // class java/lang/String
5: invokevirtual #14 // Method compareTo:(Ljava/lang/String;)I
8: ireturn
LineNumberTable:
5: return
LineNumberTable:
line 8: 0
}
Signature: #49 // Ljava/lang/Object;Ljava/lang/Comparable<Ljava/lang/String;>;Ljava/io/Serializable;
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一下类型信息
- 这个类完整有效名称(全名=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
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
- 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，即没有类实例时你也可以访问它
- 被声明为 final 的类变量的处理方法则不同，每个全局变量在编译的时候就会被分配了
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。
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，通常这种数量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
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(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(类和接口)都维护一个常量池。池中的数据项像数组项一样，通过索引访问的
- 运行时常量池中包含各种不同的变量，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 文件常量池的另一个重要特征: 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 talbe), 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 会抛出 OutOfMemoryError 异常
方法区的演进细节
- 只有 HotSpot 才有永久代。 BEA JRockit、IBM J9 是不存在永久代的概念
- HotSpot中的方法区的变化:
| 版本 | 说明 |
| jdk1.6 及以前 | 有永久代(permanent generation), 静态变量存放在永久代上 |
| jdk1.7 | 有永久代, 但已经逐步 “去永久代”, 字符串常量池、静态变量移除、保存在堆中 |
| jdk1.8 之后 | 无永久代，类型信息、字段、方法、常量保存在本地内存的元空间，但字符串常量池、静态变量仍在堆 |
永久代为什么要被元空间替换:
- 为永久代设置空间大小是很难确定的
- 对永久代进行调优是很困难的
StringTable 为什么要调整位置:
因为永久代垃圾回收效率很低，在 Full GC 的时候才会触发，而 Full GC 是老年代的空间不足，永久代不足时才会触发。这就导致 StringTable 回收效率不高。而我们开发中会有大量字符串被创建，回收效率低，导致永久代内存不足。放在堆里，能及时回收内存
方法区的垃圾回收
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
常量池回收:
- 主要存放两大类常量:字面量和符号引用，字面量比较接近 常量概念，比如文本字符串、被声明为 final 的常量值。而符号引用包括: 类和接口的全限定义、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符。
- 只要常量池中的常量没有被任何地方引用，就可以被回收
类的垃圾回收:
- 该类所有的实例都已经回收了
- 加载该类的类加载器已经被回收了
- 该类对应的 java.lang.Class 对象没有任何地方引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法
