JVM—方法区到底是怎么保存函数方法的？

原文作者：博_采_众_长

原文地址：JVM --方法区（超详细）

HotSpot中方法区的演进

方法区的内部结构

运行时常量池 vs 常量池

方法区的演进细节

StringTable为什么要调整

最近想深入了解Java多太的重载和重写机制是如何实现的，既然说到重载，那肯定要了解函数是如何加载的，加载到哪里，加载之后的形式是什么，如何保存在内存中的？只有了解了函数的加载，才能谈重载是什么？于是就有了此篇文章，这篇文章主要解答的事后面两个问题，即加载之后的形式是什么，如何保存在内存中的。关于函数是如何加载的，加载到哪里，推荐阅读java.lang包—类加载器ClassLoader类，这篇文章详细讲解了JVM如何把函数加载到内存。

运行时数据区结构图

栈、堆、方法区的交互关系

方法区看作是一块独立与Java堆的内存空间

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域
方法区在JVM启动的时候被创建，并且它的实际物理内存空间中和Java堆区一样都可以是不连续的
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
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
关闭JVM就会释放这个区域的内存

HotSpot中方法区的演进

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。本质上，方法区和永久代并不等价。仅是对HotSpot而言1.《Java虚拟机规范》对如何实现方法区，不作统一要求。例如：BEA JRockit / IBM J9中不存在永久代的概念。现在看来，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）而到了JDK 8，终于完放弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替。

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。永久代、元空间二者并不只是名字变了，内存结构也调整了。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。

方法区的内部结构

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

1）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：

这个类型的完整有效名称（全名=包名.类名）
这个类型直接父类的完整的有效名（对于interface或是java.lang.Object，都没有父类）
这个类型的修饰符（public，abstract，final的某个子集）
这个类型直接借楼的一个有序列表

2）域（Field）信息

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。
域的相关信息包括：域名称、域类型、域修饰符（public，private，protected，static，final，volate，transient的某个子集）

3）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；

方法名称
方法的返回类型（或 void）
方法参数的数量和类型（按顺序）
方法的修饰符（public，private，protected，static，final，synchronized，native，abstract的一个子集）
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）
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

4）non-fianl的类变量

静态变量和类关联在一起，随着类的加载而加载，它们成为类数据在逻辑上的一部分
类变量被类的所有实例共享，即使没有实例时你也可以访问它

5）补充说明：全局常量：static final

被声明为fianl的类变量的处理方法则不同，每个全局常量在编译的时候就会被分配了。

运行时常量池 vs 常量池

方法区，内部包含了运行时常量池
字节码文件，内部包含了常量池
要弄清除方法区，需要理解清除ClassFile，因为加载类的信息都在方法区
要弄清楚方法区的运行时常量池，需要理解清除ClassFile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），包含各种字面量和对类型、域和方法的符号引用。

1）为什么需要常量池？

一个java源文件中的类、接口，编译后产生一个字节码文件。而Java中的字节码需要数据支持，通常这种数据会很大以至于不能直接存在字节码里，换另一种方式，可以存到常量池，这个字节码包含了指向常量池的引用。在动态链接的时候回用到运行时常量池。

2）常量池中有什么？

数量值
字符串值
类引用
字段引用
方法引用

结论

常量池，可以看作是一张表，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。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分
常量池表（Constant Pool Table）是Class文件的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中
运行时常量池，在加载类和接口到虚拟机后，就会创建对应的运行时常量池
JVM为每个已加载的类型（类或接口）都维护一个常量池。池中的数据项就像数组项一样，是通过索引访问的
运行时常量池中包含多种不同的常量，包括编译器期就已经明确的数值字面量，也包括到运行期解析后才能够获得的方法或者字段引用。此时不再是常量池中的符号地址了，这里换为真实地址。
✔运行时常量池，相对于Class文件常量池的另一重要特性是：具备动态性
运行时常量池类似于传统编程语言中的符号表（symbol table），但是它所包含的数据却比符号表要更加丰富一些
当创建类或接口的运行时常量池时，如果构造运行时常量池所需要的内存空间超过了方法区所能提供的最大值，则JVM会抛OutOfMemoryError异常。

方法区的演进细节

1.首先说明：只有HotSpot才有永久代

BEA JRockit、IBM J9等来说，是不存在永久代的概念的。原则上如何实现方法区属于虚拟机实现袭击，不受《Java虚拟机规范》管束，并不要求统一。

2.HotSpot中方法区的1变化：

永久代为什么要被元空间替换？

随着Java8的到来，HotSpot VM 中再也见不到永久代了。但是这并不意味这类的元数据信息也消失了。这些数据被转移到了一个与堆不相连的本地内存区域，这个区域叫做元空间（Metaspace）。由于类的元数据分配在本地内存中，元空间的最大可分配空间就是系统可用内存空间。这项改动是很有重要的，原因有：

1️⃣为永久代设置空间大小是很难确定的

在某些场景下，如果动态加载类过多，容易产生Perm 区的OOM。比如某个实际Web工程中，因为功能点比较多，在运行过程中，要不断动态加载很多类，经常出现致命错误。而元空间和永久代之间最大的区别就在：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

2️⃣对永久代进行调优是很困难的

方法区的垃圾收集主要回收两部分内容：常量池中废弃的常量和不再使用的类型。

判定一个常量是否“废弃”还是相对简单，而要判断一个类型是都属于“不在被使用的类”的条件就比较苛刻了。需要同时满足下面三个条件；
        ✔改类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类及其任何派生类的实例
        ✔加载该类的类加载器已经被回收，这个条件除非是经过精心设计的可替换类加载器的场景，如OSGi、JSP的重加载等，否则是很难达成的。
        ✔该类对应的java.lang.Class对象没有任何地方被引用，无法再任何地方通过反射访问该类的方法

在使用大量反射、动态代理、CGLib等字节码框架，动态生成JSP以及OSGi这类频繁自定义类加载器的场景中，通常都需要Java虚拟机具备类型卸载的能力，以保证不会对方法区造成过大的内存压力。

StringTable为什么要调整

jdk7将StringTable放到了对空间中。因为永久代的回收效率很低，在Full GC的时候才会触发。而Full GC是老年代的空间不足、永久代不足时才会触发。这就导致StringTable回收效率不高。而我们开发中会有大量的字符串被创建，回收效率低，导致永久代内存不足。放到堆里，能及时回收内存。