JVM方法区、堆及内部的结构详解

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

从线程的角度来看运行时数据区：

创建对象各数据区域的声明：

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

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：

【JDK8将永久代改为元空间，使用的是本地内存】

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】

【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】

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
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和-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

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

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：

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

3. 运行时常量池

对字节码文件反编译之后，查看常量池相关信息：

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：

在方活中对常量池表的符号引用

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

通过javap-v -p反编译后查看字节码文件：

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