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Xiaoyu's Blog
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JAVA基础(六、JVM元空间、方法区和直接内存 )

在JDK1.7之前,HotSpot 虚拟机把方法区当成永久代来进行垃圾回收。而从 JDK 1.8 开始,移除永久代,并把方法区移至元空间,它位于本地内存中,而不是虚拟机内存中。 HotSpots取消了永久代,那么是不是也就没有方法区了呢?

当然不是,方法区是一个规范,规范没变,它就一直在,只不过取代永久代的是元空间(Metaspace)而已。

一、元空间

它和永久代有什么不同的?

1.1 为什么要废弃永久代,引入元空间?

相比于之前的永久代划分,Oracle为什么要做这样的改进呢?

1.2 废除永久代的好处

1.3 Metaspace相关参数

二、方法区

2.1 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, 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数据。

【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),就是要和堆分开

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

2.2 方法区的特点

2.2 方法区结构

2.2.1 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。

2.2.2 方法区中存储的内容

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

2.3 方法区设置

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。

2.3.1 jdk7及以前

查看JDK PermSpace区域默认大小:

jps #是java提供的一个显示当前所有java进程pid的命令
jinfo -flag PermSize 进程号 #查看进程的PermSize初始化空间大小
jinfo -flag MaxPermSize 进程号 #查看PermSize最大空间

2.3.2 JDK8以后

元数据区大小可以使用参数 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize指定默认值依赖于平台。windows下,-XX:MetaspaceSize是21M,-XX:MaxMetaspaceSize的值是-1,即没有限制。

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
-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,FullGC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。
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FullGC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

jps #查看进程号
jinfo -flag MetaspaceSize 进程号 #查看Metaspace 最大分配内存空间
jinfo -flag MaxMetaspaceSize 进程号 #查看Metaspace最大空间

2.4 运行时常量池

2.4.1 常量池vs运行时常量池

字节码文件中,内部包含了常量池

方法区中,内部包含了运行时常量池

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。

对字节码文件反编译之后,查看常量池相关信息:


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,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。
常量池表Constant pool table:

在方活中对常量池表的符号引用

2.4.2 为什么需要常量池?

public class Solution {

	public void method() {
		System.out.println("are you ok");
	}

}

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。

三、直接内存

直接内存(Direct Memory) 并不是虚拟机运行时数据区的一部分。

在JDK 1.4中新加入了NIO(New Input/Output)类, 引入了一种基于通道(Channel) 与缓冲区(Buwer) 的I/O方式, 它可以使用Native函数库直接分配堆外内存, 然后通过一个存储在Java里面的 DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。 这样能在一些场景中显著提高性能, 因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

NIO的Buffer提供一个可以直接访问系统物理内存的类——DirectBuffer。DirectBuffer类继承自ByteBuffer,但和普通的ByteBuffer不同。普通的ByteBuffer仍在JVM堆上分配内存,其最大内存受到最大堆内存的限制。而DirectBuffer直接分配在物理内存中,并不占用堆空间。在访问普通的ByteBuffer时,系统总是会使用一个“内核缓冲区”进行操作。
而DirectBuffer所处的位置,就相当于这个“内核缓冲区”。因此,使用DirectBuffer是一种更加接近内存底层的方法,所以它的速度比普通的ByteBuffer更快。

通过使用堆外内存,可以带来以下好处:

  1. 改善堆过大时垃圾回收效率,减少停顿。Full GC时会扫描堆内存,回收效率和堆大小成正比。Native的内存,由OS负责管理和回收。
  2. 减少内存在Native堆和JVM堆拷贝过程,避免拷贝损耗,降低内存使用。
  3. 可突破JVM内存大小限制。

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