【个人学习】JVM(7)：方法区概述、方法区内部结构、垃圾回收等

方法区

栈、堆、方法区的交互关系

从线程共享与否的角度来看

ThreadLocal：如何保证多个线程在并发环境下的安全性？典型场景就是数据库连接管理，以及会话管理。

栈、堆、方法区的交互关系

下面涉及了对象的访问定位

1. Person 类的 .class 信息存放在方法区中
2. person 变量存放在 Java 栈的局部变量表中
3. 真正的 person 对象存放在 Java 堆中
4. 在 person 对象中，有个指针指向方法区中的 person 类型数据，表明这个 person 对象是用方法区中的 Person 类 new 出来的

方法区的理解

官方文档：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.5.4

方法区在哪里？

1. 《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，但一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。但对于HotSpotJVM而言，方法区还有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分开。
2. 所以，方法区可以看作是一块独立于Java堆的内存空间。

方法区的基本理解

方法区主要存放的是 Class，而堆中主要存放的是实例化的对象

1. 方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。多个线程同时加载统一个类时，只能有一个线程能加载该类，其他线程只能等等待该线程加载完毕，然后直接使用该类，即类只能加载一次。
2. 方法区在JVM启动的时候被创建，并且它的实际的物理内存空间中和Java堆区一样都可以是不连续的。
3. 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。
4. 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错误：java.lang.OutofMemoryError:PermGen space或者java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace
   • 加载大量的第三方的jar包
   • Tomcat部署的工程过多（30~50个）
   • 大量动态的生成反射类
5. 关闭JVM就会释放这个区域的内存。

代码举例

public class MethodAreaDemo {public static void main(String[] args) {System.out.println("start...");try {Thread.sleep(1000000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("end...");}
}

简单的程序，加载了1600多个类

HotSpot方法区演进

1. 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。我们可以将方法区类比为Java中的接口，将永久代或元空间类比为Java中具体的实现类
2. 本质上，方法区和永久代并不等价。仅是对Hotspot而言的可以看作等价。《Java虚拟机规范》对如何实现方法区，不做统一要求。例如：BEAJRockit / IBM J9 中不存在永久代的概念。
   • 现在来看，当年使用永久代，不是好的idea。导致Java程序更容易OOm（超过-XX:MaxPermsize上限）
3. 而到了JDK8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替
4. 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。
5. 永久代、元空间二者并不只是名字变了，内部结构也调整了
6. 根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OOM异常

设置方法区大小与 OOM

方法区的大小不必是固定的，JVM可以根据应用的需要动态调整。

JDK7及以前(永久代)

1. 通过-XX:Permsize来设置永久代初始分配空间。默认值是20.75M
2. -XX:MaxPermsize来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
3. 当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报异常OutofMemoryError:PermGen space。

JDK8及以后(元空间)

JDK8 版本设置元空间大小

1. 元数据区大小可以使用参数 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 指定

2. 默认值依赖于平台，Windows下，-XX:MetaspaceSize 约为21M，-XX:MaxMetaspaceSize的值是-1，即没有限制。

3. 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

4. -XX:MetaspaceSize：设置初始的元空间大小。对于一个 64位 的服务器端 JVM 来说，其默认的 -XX:MetaspaceSize值为21MB。这就是初始的高水位线，一旦触及这个水位线，Full GC将会被触发并卸载没用的类（即这些类对应的类加载器不再存活），然后这个高水位线将会重置。新的高水位线的值取决于GC后释放了多少元空间。如果释放的空间不足，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。如果释放空间过多，则适当降低该值。

5. 如果初始化的高水位线设置过低，上述高水位线调整情况会发生很多次。通过垃圾回收器的日志可以观察到Full GC多次调用。为了避免频繁地GC，建议将-XX:MetaspaceSize设置为一个相对较高的值。

方法区OOM

举例：

代码：OOMTest 类继承 ClassLoader 类，获得 defineClass() 方法，可自己进行类的加载

/*** jdk6/7中：* -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m** jdk8中：* -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m**/
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++) {//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();//类的加载test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length);//Class对象j++;}} finally {System.out.println(j);}}
}

不设置元空间的上限

使用默认的 JVM 参数，元空间不设置上限

输出结果：

10000

设置元空间的上限

JVM 参数

-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m

输出结果：

8531
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspaceat java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:642)at com.atguigu.java.OOMTest.main(OOMTest.java:29)

如何解决OOM

这个属于调优的问题，这里先简单的说一下

1. 要解决OOM异常或heap space的异常，一般的手段是首先通过内存映像分析工具（如Ec1ipse Memory Analyzer）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 Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）
2. 内存泄漏就是有大量的引用指向某些对象，但是这些对象以后不会使用了，但是因为它们还和GC ROOT有关联，所以导致以后这些对象也不会被回收，这就是内存泄漏的问题
3. 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它们的。掌握了泄漏对象的类型信息，以及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。
4. 如果不存在内存泄漏，换句话说就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当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可以调大，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

方法区存储什么？

概念

《深入理解Java虚拟机》书中对方法区（Method Area）存储内容描述如下：它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等。

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（Field）信息

也就是我们常说的成员变量，域信息是比较官方的称呼

1. 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。

2. 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：

1. 方法名称
2. 方法的返回类型（包括 void 返回类型），void 在 Java 中对应的为 void.class
3. 方法参数的数量和类型（按顺序）
4. 方法的修饰符（public，private，protected，static，final，synchronized，native，abstract的一个子集）
5. 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）
6. 异常表（abstract和native方法除外），异常表记录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

举例

*** 测试方法区的内部构成*/
public class MethodInnerStrucTest extends Object implements Comparable<String>,Serializable {//属性public 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;}@Overridepublic int compareTo(String o) {return 0;}
}

javap -v -p MethodInnerStrucTest.class > test.txt

• 反编译字节码文件，并输出值文本文件中，便于查看。参数 -p 确保能查看 private 权限类型的字段或方法

字节码：

Classfile /F:/IDEAWorkSpaceSourceCode/JVMDemo/out/production/chapter09/com/atguigu/java/MethodInnerStrucTest.classLast modified 2020-11-13; size 1626 bytesMD5 checksum 0d0fcb54854d4ce183063df985141ad0Compiled from "MethodInnerStrucTest.java"
//类型信息      
public class com.atguigu.java.MethodInnerStrucTest extends java.lang.Object implements java.lang.Comparable<java.lang.String>, java.io.Serializableminor version: 0major version: 52flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:#1 = Methodref          #18.#52        // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Fieldref           #17.#53        // com/atguigu/java/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