来聊聊JVM的方法区

写在文章开头

你好，我叫sharkchili，目前还是在一线奋斗的Java开发，经历过很多有意思的项目，也写过很多有意思的文章，是CSDN Java领域的博客专家，也是Java Guide的维护者之一，非常欢迎你关注我的公众号：「写代码的SharkChili」，这里面会有笔者精心挑选的并发、JVM、MySQL数据库专栏，也有笔者日常分享的硬核技术小文。

经常看到初学「JVM」的读者会因为「方法区」这一概念提出下面这些混淆的问题和概念：

1. 什么是方法区？
2. 方法区和永久代还有元空间是什么关系？
3. 「JDK8」版本的常量和静态变量是在堆区？永久代？还是方法区？还是元空间？

所以，笔者这里就以这篇文章来帮助读者梳理一下「JVM」中方法区的概念：

方法区详解

方法区简介

方法区其实是一个**《Java虚拟机规范》「一个逻辑上的概念，对于不同版本的」JVM「都有不同的实现，就以我们常用的」HotSpotJVM「而言，方法区还有一个别名叫」Non-Heap**，即非堆内存，这么定义的目的自然是要让「Java」开发者明白方法区和堆是一块独立于「Java」堆的内存空间，而这里笔者也列出方法区几个通用的概念：

1. 方法区和Java堆内存一样也是属于各个线程共享的内存区域。
2. 方法区在JVM启动就时创建，并且它实际的物理内存空间和「Java堆」内存一样「可以是」不连续的，注意笔者所说，可以是不连续的。
3. 方法区内存大小也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，同样会出现内存溢出的问题，可能是「java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space」(永久代空间满了)，也可能是「java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace」(元空间满了)，这一点笔者会在后文中方法区在各个版本中的实现进行拓展说明。

这里我们补充说明一下，后文所涉及的不同版本的「JVM」版本都是以「HotSpot虚拟机」展开探讨。

JDK7之前的版本

先来在「JDK7」之前的版本内存结构图，在这些版本上逻辑上方法区和堆区在逻辑上是连续的，实际上在物理内存上来说，它们却可是一块连续的内存。在「JDK7」之前的版本，它们都用的是一个名为「PermGen」(永久代)的虚作为方法区的实现。这也是为什么很多读者会把永久代和老年代混淆，实际上这两个完全不是一个概念，在「JDK7」之前的版本，永久代仅仅是作为方法区的实现以及和老年代捆绑在一起，当老年代或者永久代任何一个内存空间满了的时候，都会触发一次垃圾收集，仅此而已。在这些个版本的「JVM」，方法区即永久代存储的是:

1. 类信息
2. 字段信息
3. 方法信息
4. 常量
5. 静态变量
6. 即时编译器编译后的代码缓存等数据

JDK7版本的变化

「JDK7」则是基于原有的内存结构的基础上将部分数据进行转移：

1. 将「符号引用(Symbols)「转移到」Native Memory(本地内存)」，可能很多读者经常听到本地内存这一概念，这里笔者进行拓展解释一下，本地内存即「JVM运行时内存」，它是不受「GC」管理的一块内存区域，是直接由操作系统分配给「JVM」的一块内存。
2. 所有字符串常量的信息都直接移动到「Java Heap」中。
3. 类的静态变量转移到「Java Heap」中。

JDK8及以上

最后我们再来说说现主流的「JDK8」版本，它基于JDK7的存储方式，将**永久代(Perm Gen)**改为 元空间(Metaspace) 作为方法区的实现，同时元空间不再与堆内存连续，是一个划分在 本地内存(Native memory) 的一块内存区域，这也就意味着JDK8版本实现的方法区即使内存空间满了也不会触发GC。

所以JDK8版本的内存结构最终如下图所示，这也就意味着「JDK7」版本对永久代的设置参数「(-XX:MaxPermSize)」 变为无效参数，取而代之的是对元空间空间大小设置的参数「(-XX:MetaspaceSize)」。

实践验证观点

接下来我们通过几段代码来印证笔者的观点，来看看这段代码，笔者这里直接声明了一段最大长度的静态数组，这个数组长度为「Integer.MAX_VALUE」，粗略估算这个数组大致需要占用「4G」左右的内存空间。

//声明一个静态数组
 public static int[] arr=new int[Integer.MAX_VALUE];

    public void test(){
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.println(arr[i]);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
       new Main().test();
    }

输出结果如下，可以看到直接抛出了「OOM」异常，这也就意味着「静态变量」在「JDK8」版本的堆内存中。

java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
 at com.sharkChili.webTemplate.Main.<clinit>(Main.java:16)
Exception in thread "main" 

同理的再来看看这段代码。笔者声明了一个常量数组，如果它也存在于堆内存中的话，那么它的运行结果也是「OOM」：

//常量全局数组
 final int[] arr = new int[Integer.MAX_VALUE];

    public void test() {
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.println(arr[i]);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Main().test();
    }

意料之内，在「JDK8」版本常量也是分配于堆内存中：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
 at com.sharkChili.webTemplate.Main.<init>(Main.java:15)
 at com.sharkChili.webTemplate.Main.main(Main.java:25)

接下来这个实验比较特殊，我们都知道「CGLIB」是一个强大且高性能的字节码生成库，它支持运行时扩展「Java」类或接口实现，本质上就是动态生成一个子类并覆盖要代理的类。所以为了验证「JDK8」版本的类信息是否是存于堆区还是方法区，我们就基于一个「CGLIB」通过无限循环去创建无数的代理类，让「JVM」去存储这些类定义的信息，看看最终抛出的是「OOM」还是「元空间」不足。

为了能够更快看到效果，笔者手动调整了一下元空间的大小：

-XX:MetaspaceSize=100m -XX:MaxMetaspaceSize=100m

示例代码如下，通过无限循环生成代理类并创建「EmptyObject」的代理对象：

public static void main(String[] args) {
       while (true){
           Enhancer enhancer = new Enhancer();
           //设置代理目标
           enhancer.setSuperclass(EmptyObject.class);
   //不生成同属性类的静态缓存
           enhancer.setUseCache(false);

           //设置单一回调对象，在调用中拦截对目标方法的调用
           enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (o, method, objects, methodProxy) -> methodProxy.invokeSuper(objects, args));
   //如有必要，生成一个新类，并使用指定的回调（如果有的话）创建一个新的对象实例。
           enhancer.create();
       }

    }

启动后我们使用jvisualvm查看当前程序的GC情况，可以看到Java Heap运行正常，即时创建的无用代理对象都会被回收掉：

再来看看元空间，可以看到随着实践的推移，无数个全新的代理类的信息存到元空间，因为元空间不受GC管理，所以使用内存不断增加：

最终如预期所说出现「java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace」：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
 at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:345)
 at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492)
 at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:114)
 at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:291)
 at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480)
 at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.create(Enhancer.java:305)
 at com.sharkChili.webTemplate.Main.main(Main.java:39)

为什么JDK8要将取消永久代的概念

大体来说取消永久代有以下两个原因：

1. 首要原因是「Hotspot」和「JRockit」代码合并，前者并没有所谓的永久代。
2. 为了提高垃圾的回收的效率。我们都知道在「JDK8」版本之前老年代和永久代内存空间是连续的，任何一个满了都可能触发「GC」，这种做法对于「永久代」来说回收效率偏低(每次GC基本回收不了多少垃圾)，且「Hotspot」为了做到这一点还需要专门对元数据信息进行特殊处理，所以为了简化GC处理，「JDK8」版本就将方法区改为使用元空间实现，如此后续对于元数据内存优化可以专门处理而无需考虑对于堆空间的影响。

小结

我是「sharkchili」，「CSDN Java 领域博客专家」，「开源项目—JavaGuide contributor」，我想写一些有意思的东西，希望对你有帮助，如果你想实时收到我写的硬核的文章也欢迎你关注我的公众号：「写代码的SharkChili」，同时我的公众号也有我精心整理的「并发编程」、「JVM」、「MySQL数据库」个人专栏导航。

参考

类静态成员变量的存储位置及JVM的内存划分:https://blog.csdn.net/edmond999/article/details/116274263

面试官 | JVM 为什么使用元空间替换了永久代？:https://zhuanlan.zhihu.com/p/111809384

jdk8之后，静态成员变量存储在哪？有说存在元数据区，有说迁移到堆中？希望大佬能给个详细的解答，多谢？- 红尘修行的回答 - 知乎 :https://www.zhihu.com/question/324306038/answer/688264413

类的元数据是啥意思 :https://blog.csdn.net/Fyfdf/article/details/132545463

JVM 运行时内存空间详解——方法区:https://blog.csdn.net/u012660464/article/details/120050562

你知道 JVM 的方法区是干什么用的吗？:https://zhuanlan.zhihu.com/p/166190558

JVM 运行时内存空间详解——方法区:https://blog.csdn.net/u012660464/article/details/120050562