jvm学习（3）方法区、堆、对象存储位置

方法区

方法区，Method Area，对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来说是不存在永久代的概念的。

主要存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据（比如spring 使用IOC或者AOP创建bean时，或者使用cglib，反射的形式动态生成class信息等）。

细分

方法区被分为两个主要的子区域：

持久代 这个区域会存储包括类定义、结构、字段、方法（数据及代码）以及常量在内的类相关数据。它可以通过-XX:PermSize及-XX:MaxPermSize来进行调节。如果它的空间用完了，会导致java.lang.OutOfMemoryError: PermGenspace的异常。而JDK8开始，持久代已经被彻底删除了，取代它的是另一个内存区域也被称为元空间。
方法区存储的是每个class的信息:

1.类加载器引用(classLoader)

2.运行时常量池

所有常量、字段引用、方法引用、属性

3.字段数据

每个方法的名字、类型(如类的全路径名、类型或接口) 、修饰符（如public、abstract、final）、属性

4.方法数据

每个方法的名字、返回类型、参数类型(按顺序)、修饰符、属性

5.方法代码

每个方法编译后代码、操作数栈大小、局部变量大小、局部变量表、异常表和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

1.2 运行时常量池

CLass文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

运行时常量池相对于CLass文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入CLass文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用比较多的就是String类的intern()方法。

1.3 常量池的好处

常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。

例如字符串常量池，在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个常量池中。

（1）节省内存空间：常量池中所有相同的字符串常量被合并，只占用一个空间。
（2）节省运行时间：比较字符串时，==比equals()快。对于两个引用变量，只用==判断引用是否相等，也就可以判断实际值是否相等。

双等号==的含义

基本数据类型之间应用双等号，比较的是他们的数值。

复合数据类型(类)之间应用双等号，比较的是他们在内存中的存放地址。

1 常量池

1.1 Class文件中的常量池

在Class文件结构中，最头的4个字节用于存储Megic Number，用于确定一个文件是否能被JVM接受，再接着4个字节用于存储版本号，前2个字节存储次版本号，后2个存储主版本号，再接着是用于存放常量的常量池，由于常量的数量是不固定的，所以常量池的入口放置一个U2类型的数据(constant_pool_count)存储常量池容量计数值。

常量池主要用于存放两大类常量：字面量(Literal)和符号引用量(Symbolic References)，字面量相当于Java语言层面常量的概念，如文本字符串，声明为final的常量值等，符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了如下三种类型的常量：

类和接口的全限定名
字段名称和描述符
方法名称和描述符

1.2 运行时常量池

1.3 常量池的好处

常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。

例如字符串常量池，在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个常量池中。

（1）节省内存空间：常量池中所有相同的字符串常量被合并，只占用一个空间。
（2）节省运行时间：比较字符串时，==比equals()快。对于两个引用变量，只用==判断引用是否相等，也就可以判断实际值是否相等。

双等号==的含义

基本数据类型之间应用双等号，比较的是他们的数值。

复合数据类型(类)之间应用双等号，比较的是他们在内存中的存放地址。

1.4 基本类型的包装类和常量池

java中基本类型的包装类的大部分都实现了常量池技术，即Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean。

这5种包装类默认创建了数值[-128，127]的相应类型的缓存数据，但是超出此范围仍然会去创建新的对象。两种浮点数类型的包装类Float,Double并没有实现常量池技术。

Integer与常量池

Integer i1 = 40;
Integer i2 = 40;
Integer i3 = 0;
Integer i4 = new Integer(40);
Integer i5 = new Integer(40);
Integer i6 = new Integer(0);
 
System.out.println("i1=i2   " + (i1 == i2));
System.out.println("i1=i2+i3   " + (i1 == i2 + i3));
System.out.println("i1=i4   " + (i1 == i4));
System.out.println("i4=i5   " + (i4 == i5));
System.out.println("i4=i5+i6   " + (i4 == i5 + i6));  
System.out.println("40=i5+i6   " + (40 == i5 + i6));
 
 
i1=i2   true
i1=i2+i3   true
i1=i4   false
i4=i5   false
i4=i5+i6   true
40=i5+i6   true

解释：

(1)Integer i1=40；Java在编译的时候会直接将代码封装成Integer i1=Integer.valueOf(40);，从而使用常量池中的对象。
(2)Integer i1 = new Integer(40);这种情况下会创建新的对象。
(3)语句i4 == i5 + i6，因为+这个操作符不适用于Integer对象，首先i5和i6进行自动拆箱操作，进行数值相加，即i4 == 40。然后Integer对象无法与数值进行直接比较，所以i4自动拆箱转为int值40，最终这条语句转为40 == 40进行数值比较

　　　　一个Jvm实例只存在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。类加器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，保存所有引用类型的真实信息以方便执行器执行。

　　　　堆内存逻辑上分为三部分：新生+养老+永久

　　　　新生区

　　　　新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区又分为两部分：伊甸区（Eden Space）和幸存者区(Survivor space)，所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸村区有两个：0区（Survivor 0 space）和1区（Survivor 1space）。当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，Jvm的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（Minor GC），将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园区中的剩余对象移动到幸存0区。若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区。那如果1区也满了呢？再移动到养老区。若养老区也满了，那么这个时候将产生MajorGC（FullGC），进行养老区的内存清理。若养老区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常“OutOfMemoryError“。

　　如果出现java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space异常，说明Java虚拟机的对内存不够。原因有二：

　　（1）Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数-Xms、Xmx来调整。

　　（2）代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）

　 Java堆从GC的角度还可以细分为：新生代（Eden区、From Survivor区和To Survivor区）和老年代。

　　 MinorGC的过程(复制->清空->互换)，其中，Eden：From：To = 8：1：1

　　1：eden、SurvivorFrom复制到survivorTo，年龄+1

　　首先，把Eden和SurvivorFrom区域中存活的对象复制到SurvivorTo区域（如果有对象的年龄以及达到了老年的标准，则赋值到老年代区），同时把这些对象的年龄+1（如果SurvivorTo不够位置了就放到老年区）

　 2：清空eden、SurvivorFrom

　　然后，清空Eden和SurvivorFrom中的对象

　　3：SurvivorTo和SurvivorFrom互换

　　最后，SurvivorTo和SurvivorFrom互换，原SurvivorTo成为下一次GC时SurvivorFrom区

　　实际而言，方法区（Method Area）和堆一样，是各个线程共享的内容区域，它用于存储虚拟机加载的：类信息+普通变量+静态变量+编译器编译后的代码等等，虽然JVM规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它却还有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分开。

　　　　对于HotSpot虚拟机，很多开发者习惯将方法区称之为”永久代（Parmaneng Gen）”，但严格本质上说两者不同，或者说使用永久代来实现方法区而已，永久代是方法区（相当于是一个接口interface）的一个实现，jdk1.7的版本中，已经将原来放在永久代的字符串常量池移走。

　　java7的heap如下图所示：

　　Java1.8之后将最初的永久代取消了，由元空间取代。

　　在Java8中，永久代已经被移除了。被一个称为元空间的区域所取代。元空间的本质和永久代类似。

　　元空间与永久代之间最大的区别在于：

　　元空间并不在虚拟机中而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。类的元数据当如native memeory，字符串池和类的静态变量放入java堆中，这样可以加载多少类的元数据就不在由MaxPermSize控制，而由系统的实际可用空间来控制。

　　堆内存空间调整参数

参数名称	描述
-Xms	设置初始分配大小，默认为物理内存的1/64
-Xmx	最大分配内存，默认为物理内存的1/4
-XX:+PrintGCDetails	输出详细的GC处理日志
-XX:+PrintGCTimeStamps	输出GC的时间戳信息
-XX:+PrintGCDateStamps	输出GC的时间戳信息（以日期的形式，如2019-09-15T16:24:24.155+0800）
-XX:+PrintHeapAtGC	在GC进行处理的前后打印堆内存信息
-Xloggc:保存路径	设置日志信息保存文件

 1 public class Test {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();
 4         long total = Runtime.getRuntime().totalMemory();
 5         System.out.println("maxmemeory :"+maxMemory+"字节"+(maxMemory/(double)1024/1024)+"MB");
 6         System.out.println("total :"+total+"字节"+(total/(double)1024/1024)+"MB");
 7 
 8     }
 9 
10 }

　　maxmemeory :1873805312字节1787.0MB
　　total :126877696字节121.0MB

　　我的电脑物理内存是8G，会发现默认初始内存是1/64，即大约121.0M；默认最大分配内存时1/4，即大约1787.0M

　　配置VM options:-Xms2G -Xmx2G -XX:+PrintGCDetails后，会输出jvm运行的详细信息，如下：　

　　　　maxmemeory :2058354688字节1963.0MB
　　　　total :2058354688字节1963.0MB
　　　　Heap
　　　　PSYoungGen total 611840K, used 41984K [0x00000000d5580000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
　　　　eden space 524800K, 8% used [0x00000000d5580000,0x00000000d7e801b8,0x00000000f5600000)
　　　　from space 87040K, 0% used [0x00000000fab00000,0x00000000fab00000,0x0000000100000000)
　　　　to space 87040K, 0% used [0x00000000f5600000,0x00000000f5600000,0x00000000fab00000)
　　　　ParOldGen total 1398272K, used 0K [0x0000000080000000, 0x00000000d5580000, 0x00000000d5580000)
　　　　object space 1398272K, 0% used [0x0000000080000000,0x0000000080000000,0x00000000d5580000)
　　　　Metaspace used 3238K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
　　　　class space used 350K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

　　配置GC -Xms2G -Xmx2G -XX:+PrintGCDetails 使其强制产生OOM

 1 public class Test {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         Random random = new Random();
 4         String string = "0000000000";
 5         while (true)
 6         {
 7             string += string + random.nextInt(8888888)+random.nextInt(8888888);
 8             string.intern(); //强制产生垃圾
 9         }
10     }
11 }

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 504215K->49540K(611840K)] 504215K->145290K(2010112K), 0.0508276 secs] [Times: user=0.27 sys=0.08, real=0.05 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 538420K->1235K(611840K)] 634170K->384221K(2010112K), 0.1519967 secs] [Times: user=0.42 sys=0.28, real=0.15 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 408791K->1171K(611840K)] 1174746K->958620K(2010112K), 0.1376924 secs] [Times: user=0.73 sys=0.05, real=0.14 secs]
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 192656K->0K(611840K)] [ParOldGen: 1340418K->575542K(1398272K)] 1533074K->575542K(2010112K), [Metaspace: 3318K->3318K(1056768K)], 0.1610330 secs] [Times: user=0.76 sys=0.05, real=0.16 secs]
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 392390K->0K(611840K)] [ParOldGen: 1341482K->384057K(1398272K)] 1733872K->384057K(2010112K), [Metaspace: 3318K->3318K(1056768K)], 0.1103824 secs] [Times: user=0.61 sys=0.00, real=0.11 secs]
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 382969K->0K(611840K)] [ParOldGen: 1149997K->1149997K(1398272K)] 1532967K->1149997K(2010112K), [Metaspace: 3318K->3318K(1056768K)], 0.5124315 secs] [Times: user=1.94 sys=0.05, real=0.51 secs]
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(611840K)] 1149997K->1149997K(2010112K), 0.0051481 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(611840K)] [ParOldGen: 1149997K->1149973K(1398272K)] 1149997K->1149973K(2010112K), [Metaspace: 3318K->3318K(1056768K)], 0.5310038 secs] [Times: user=2.56 sys=0.08, real=0.53 secs]
Heap
PSYoungGen total 611840K, used 15045K [0x00000000d5580000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
eden space 524800K, 2% used [0x00000000d5580000,0x00000000d64315f0,0x00000000f5600000)
from space 87040K, 0% used [0x00000000fab00000,0x00000000fab00000,0x0000000100000000)
to space 87040K, 0% used [0x00000000f5600000,0x00000000f5600000,0x00000000fab00000)
ParOldGen total 1398272K, used 1149973K [0x0000000080000000, 0x00000000d5580000, 0x00000000d5580000)
object space 1398272K, 82% used [0x0000000080000000,0x00000000c6305700,0x00000000d5580000)
Metaspace used 3350K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 360K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

另外，如果不会调整内存的话，可以将Xmx和Xms调成一样的大小既可。