運行時數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)構(gòu)

堆、棧、方法去的交互關(guān)系

1、介紹：

《Java虛擬機規(guī)范》中明確說明：“盡管所有的方法區(qū)在邏輯上是屬于堆的一部分，但一些簡單的實現(xiàn)可能不會選擇去進(jìn)行垃圾收集或者進(jìn)行壓縮?！钡珜τ贖otSpotJVM而言，方法區(qū)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(qū)看作是一塊獨立于Java堆的內(nèi)存空間。

• 方法區(qū)（Method Area)與Java堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域。

• 方法區(qū)在JVM啟動的時候被創(chuàng)建，并且它的實際的物理內(nèi)存空間中和Java堆區(qū)一樣都可以是不連續(xù)的。

• 方法區(qū)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(qū)的大小決定了系統(tǒng)可以保存多少個類，如果系統(tǒng)定義了太多的類，導(dǎo)致方法區(qū)溢出，虛擬機同樣會拋出內(nèi)存溢出錯誤：java.lang.OutofMemoryError:PermGen space （8前）或者 java.lang.OutofMemoryError:Metaspace（8以及以后）

  • 加載過多第三方j(luò)ar包；Tomcat部署項目過多；大量動態(tài)的生成反射類

• 關(guān)閉JVM就會釋放這個區(qū)域的內(nèi)存。

別稱：jdk7及以前（永久代），jdk8及以后（元空間）

演變

元空間的本質(zhì)和永久代類似，都是對JVM規(guī)范中方法區(qū)的實現(xiàn)。不過元空間與永久代最大的區(qū)別在于：元空間不在虛擬機設(shè)置的內(nèi)存中，而是使用本地內(nèi)存。

永久代、元空間二者并不只是名字變了，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也調(diào)整了。

2、設(shè)置方法區(qū)內(nèi)存大小

• 元數(shù)據(jù)區(qū)大小可以使用參數(shù)-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize指定，替代上述原有的兩個參數(shù)。
• 默認(rèn)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(rèn)情況下，虛擬機會耗盡所有的可用系統(tǒng)內(nèi)存。如果元數(shù)據(jù)區(qū)發(fā)生溢出，虛擬機一樣會拋出異常OutOfMemoryError:Metaspace
• -XX:MetaspaceSize:設(shè)置初始的元空間大小。對于一個64位的服務(wù)器端JVM來說，其默認(rèn)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，F(xiàn)ull GC將會被觸發(fā)并卸載沒用的類（即這些類對應(yīng)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(dāng)提高該值。如果釋放空間過多，則適當(dāng)降低該值。
• 如果初始化的高水位線設(shè)置過低，上述高水位線調(diào)整情況會發(fā)生很多次。通過垃圾回收器的日志可以觀察到Fu11 GC多次調(diào)用。為了避免頻繁地GC,建議將-XX:MetaspaceSize設(shè)置為一個相對較高的值。

如何解決這些OOM？

1、要解決OOM異常或heap space的異常，一般的手段是首先通過內(nèi)存映像分析工具(如Eclipse Memory Analyzer)對dump出來的堆轉(zhuǎn)儲快照進(jìn)行分析，重點是確認(rèn)內(nèi)存中的對象是否是必要的，也就是要先分清楚到底是出現(xiàn)了內(nèi)存泄漏（MemoryLeak)還是內(nèi)存溢出（Memory Overflow)。

2、如果是內(nèi)存泄漏，可進(jìn)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(guān)聯(lián)并導(dǎo)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(zhǔn)確地定位出泄漏代碼的位置。

3、如果不存在內(nèi)存泄漏，換句話說就是內(nèi)存中的對象確實都還必須存活著，那就應(yīng)當(dāng)檢查虛擬機的堆參數(shù)（-Xmx與-Xms),與機器物理內(nèi)存對比看是否還可以調(diào)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(tài)時間過長的情況，嘗試減少程序運行期的內(nèi)存消耗

3、方法區(qū)內(nèi)存結(jié)構(gòu)

3.1、方法區(qū)所存儲的內(nèi)容：

1、類型信息

對每個加載的類型（類class、接口interface、枚舉enum、注解annotation),JVM在方法區(qū)中存儲以下類型信息：
①這個類型的完整有效名稱（全名=包名.類名）
②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）
③這個類型的修飾符（public,abstract,final的某個子集）
④這個類型直接接口的一個有序列表

2、域信息

JVM必須在方法區(qū)中保存類型的所有域的相關(guān)信息以及域的聲明順序。

域的相關(guān)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）

3、方法信息

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：

1. 方法名稱
2. 方法的返回類型（或void)
3. 方法參數(shù)的數(shù)量和類型（按順序）
4. 方法的修飾符（public,private,protected,static,final,synchronized,native,abstract的一個子集）
5. 方法的字節(jié)碼（bytecodes)、操作數(shù)棧、局部變量表及大?。╝bstract和native方法除外）
6. 異常表（abstract和native方法除外）：每個異常處理的開始位置、結(jié)束位置、代碼處理在程序計數(shù)器中的偏移地址、被捕獲的異常類的常量池索引

查看 命令行輸入 javap -v -p（包含private權(quán)限） xxx.class > xxx.txt

示例：

public class Test extends HashMap implements Serializable {
    private String name = "";
    private int x = 1;
    public Test(String name) {
        this.name = name;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test haha = new Test(null);
        int nameLength = haha.getNameLength();
        System.out.println(nameLength);
    }

    public int getNameLength() {
        int y = 0;
        try {
            y = name.length();
        } catch (NullPointerException e) {
            System.out.println("空指針異常");
            e.printStackTrace();
        }
        return y;
    }
}

Classfile /D:/ideaFiles/Algorithm/out/production/Algorithm/com/lx/mySort/Test.class
  Last modified 2020-7-29; size 1145 bytes
  MD5 checksum 8f9825153f3fa6f2042785c0df59703b
  Compiled from "Test.java"
//類信息
public class com.lx.mySort.Test extends java.util.HashMap implements java.io.Serializable
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #15.#44        // java/util/HashMap."<init>":()V
   #2 = String             #45            //
 ...
{
//域信息
  private java.lang.String name;
    descriptor: Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PRIVATE

  private int x;
    descriptor: I
    flags: ACC_PRIVATE

//方法信息
  ...
  public int getNameLength();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: iconst_0
         1: istore_1
         2: aload_0
         3: getfield      #3                  // Field name:Ljava/lang/String;
         6: invokevirtual #10                 // Method java/lang/String.length:()I
         9: istore_1
        10: goto          26
        13: astore_2
        14: getstatic     #8                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        17: ldc           #12                 // String 空指針異常
        19: invokevirtual #13                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        22: aload_2
        23: invokevirtual #14                 // Method java/lang/NullPointerException.printStackTrace:()V
        26: iload_1
        27: ireturn
//異常表
      Exception table:
         from    to  target type
             2    10    13   Class java/lang/NullPointerException
      LineNumberTable:
        line 26: 0
        line 28: 2
        line 32: 10
        line 29: 13
        line 30: 14
        line 31: 22
        line 33: 26
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
           14      12     2     e   Ljava/lang/NullPointerException;
            0      28     0  this   Lcom/lx/mySort/Test;
            2      26     1     y   I
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 13
          locals = [ class com/lx/mySort/Test, int ]
          stack = [ class java/lang/NullPointerException ]
        frame_type = 12 /* same */
}
SourceFile: "Test.java"

4、靜態(tài)變量

• non-final的類變量

  static靜態(tài)變量：加載時準(zhǔn)備階段（賦默認(rèn)值）、初始化階段賦給定值

• 全局常量

static final：編譯時（準(zhǔn)備階段）賦給定值

5、運行時常量池

常量池

常量池所在位置

一個有效的字節(jié)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信息外，還包含一項信息那就是常量池表（Constant Pool Table),包括各種字面量和對類型、域和方法的符號引用。

常量池的作用：

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

常量池存儲的數(shù)據(jù)

1. 數(shù)量值
2. 字符串值
3. 類引用
4. 字段引用
5. 方法引用

運行時常量池

• 運行時常量池（Runtime Constant Pool)是方法區(qū)的一部分。

• 常量池表（Constant Pool Table)是class文件的一部分。

• 運行時常量池，在加載類和接口到虛擬機后，就會創(chuàng)建對應(yīng)的運行時常量池。

• JVM為每個已加載的類型（類或接口）都維護(hù)一個常量池。

• 運行時常量池中包含多種不同的常量，包括編譯期就已經(jīng)明確的數(shù)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(tài)性。

• 當(dāng)創(chuàng)建類或接口的運行時常量池時，如果構(gòu)造運行時常量池所需的內(nèi)存空間超過了方法區(qū)所能提供的最大值，則JVM會拋OutOfMemoryError異常。

4、演進(jìn)過程

永久代為什么會被元空間替換

• 永久代空間大小很難確定，太小容易GC/OOM異常，太大占用內(nèi)存（元空間并不在虛擬機中、而是使用本地內(nèi)存，大小僅受本地內(nèi)存限制）
• 永久代調(diào)優(yōu)困難
• 垃圾回收頻率低

靜態(tài)變量放到哪里？

堆空間里的永久代（7及后是堆）

5、方法區(qū)的垃圾回收

主要回收：

1、常量池中廢棄的常量：字面量和符號引用...（沒用被引用，則可以進(jìn)行回收）

2、不再使用的類型（同時滿足以下三個條件的類可被允許回收）：

1）該類的所有實例都被回收了，即Java堆中不存在該類及其任何派生的子類的實例

2）該類的類加載器已經(jīng)被回收了（除非精心設(shè)計，否則很難實現(xiàn)，如OSGI，JSP的重加載等）

3）該類對象對應(yīng)的java.lang.Class對象沒有在任何地方引用、無法在任何地方通過反射訪問到該類的方法

關(guān)于是否要對類型進(jìn)行回收，HotSpot虛擬機提供了-Xnoclassgc參數(shù)進(jìn)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

5、小結(jié)

6、對象實例化

初始化：

1. 默認(rèn)初始化
2. 顯示初始化 / 代碼塊初始化 / 構(gòu)造器初始化

7、對象的內(nèi)存布局：

示例：

8、對象的訪問定位

8.1、訪問對象的方式：

1. 句柄訪問

   reference中存儲穩(wěn)定句柄地址，對象被移動（垃圾回收時常見）時只會改變句柄池中到對象示例數(shù)據(jù)的指針即可，reference不用修改

1. 直接指針（HotSpot采用）

   內(nèi)存相對于較小

9、直接內(nèi)存

• 不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是《Java虛擬機規(guī)范》中定義的內(nèi)存區(qū)域。

• 直接內(nèi)存是在Java堆外的、直接向系統(tǒng)申請的內(nèi)存區(qū)間。

• 來源于NIO,通過存在堆中的DirectByteBuffer操作Native內(nèi)存

• 通常，訪問直接內(nèi)存的速度會優(yōu)于Java堆。即讀寫性能高。

  • 因此出于性能考慮，讀寫頻繁的場合可能會考慮使用直接內(nèi)存。
  • Java的NIO庫允許Java程序使用直接內(nèi)存，用于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

關(guān)注公眾號:java寶典