栈、堆、方法区交互关系
运行时内存图(线程共享与否的角度来看)
栈、堆、方法区的交互关系：
方法区的理解
《Java虚拟机规范》中明确说明：“尽管所有的方法区在逻辑上属于堆的一部分，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。
所以，方法区看做是一块独立于Java堆的内存空间。
- 方法区(Method Area)和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堆区一样都是可以不连续的。
- 方法区的大小，跟堆空间一样，可以选择固定大小或者拓展。
- 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类，导致方法区溢出，虚拟机同样会溢出错误：java.lang.OutOfMemoryError: PerFen space或者java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace
- 关闭JVM就会释放这个区域的内存。
HotSpot方法区演进：
- 在jdk7及以前，习惯把方法区叫永久代。jdk8开始，使用元空间取代永久代。
- 本质上，方法区和永久代并不等价。仅仅是对HotSpot而言的。《Java虚拟机规范》对如何实现方法区，不作统一要求。例如EBA JRocket/ IBM J9中不存在永久代的概念。
- 现在看来，当你使用永久代，不是好idea。导致Java程序更容易OOM (超过-XX:MaxPermSize上限)
- 到了jdk8，终于完全废弃了永久代的概念，而改用与JRocket,J9一样在本地内存中实现的元空间来代替。
- 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，而使用本地内存。
- 永久代、元空间二者并不只是名称改变，内部结构也调整了。
- 根据《Java虚拟机规范》规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求是，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：
- jsk8及之后：
- 元数据大小可使用参数 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize来指定
- 默认值依赖于平台。windows下MetaspaceSize是21m，-XX:MaxMetaspaceSize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，虚拟机会耗尽所有可用内存，如果元数据区发生溢出，虚拟机一样会抛出OOMError:Metaspace
- -XX:Metaspace:设置初始元空间大小。对于一个64位服务端jvm来说，其默认值21m。这就是初始的高水位线。一旦触及这个高水位线，Full GC将会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。新的高水位线值取决于GC后释放多少元空间，如果释放空间不足，在不超过MaxMetaspace值时，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，上述高水位线调整将频繁触发。即Full GC多次调用。为了避免，建议-XX:MetaspaceSize设置较高的值。
OOM测试：
import com.sun.xml.internal.ws.org.objectweb.asm.ClassWriter; import com.sun.xml.internal.ws.org.objectweb.asm.Opcodes; /** * jdk7及之前： * -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m * <p> * jdk8中: * -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m */ public class OOMTest { 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(); //类加载 test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length); j++; } } finally { System.out.println(j); } } }
如何解决OOM:
- 要解决OOM异常或heap space异常，一般的手段是首先通过内存映像分析工具(如Eclipse Memory Analyzer，jprofiler等)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还是内存溢出。
- 如果是内存泄漏，可以移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他们的。掌握了泄漏对象的类型信息，以及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确定位出泄漏代码的位置。
- 如果不存在内存泄漏，换句话说就是内存中的对象却是都还存活着，那就应当检查虚拟机堆(-Xmx 与 -xms)，与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（经典结构）
方法区中存储内容如下：方法区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必须在这个方法去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，abstrace，fianl的某个子集)
- 这个类型直接接口的一个有序表
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,volatile,transient的某个子集)
方法(Method)信息
- 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,synchronize,native,abstract的某个子集)
- 方法的字节码(bytecode)、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。
non-final的类变量
补充说明：全局常量 static final
被声明为final的类变量处理方法则不同，每个全局常量在编译的时候就会被分配了。
运行时常量池
一个有效的字节码文件除了包含类的版本信息、字段、方法以及接口等描述信息外，还包含一项信息就是常量表(Constant Pool Table)，包括各种字面量和对类型、域和方法的符号引用。
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到字节码里，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。在动态链接的时候会用到运行时常量池。
常量池中有什么
几种在常量池内存储的数据类型包括：
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。
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。池中的数据项像数组一样，是通过索引访问的。
- 运行时常量池中包含多种不同的常量，包括编译期就已经明确的数值字面量，也包括到运行期解析后才能获得的方法或字段引用。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征是:具备动态性 ( 例如String.intern() ) - 运行时常量池类似于传统编程语言中的符号表，但是它所包含的数据却比符号表更加丰富。
- 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的内存空间超过了方法区所能提供的最大值，JVM会抛出OOM异常。
方法区的演进细节（细节结构）（面试重点）
- 首先明确：只有HotSpot才有永久代。
EBA JRocket、IBM J9等来说，是不存在永久代的概念。原则上如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受《Java虚拟机规范》管束，并不要求同一。 - Hotspot中方法区的变化：
| jdk版本 | 变化 |
|---|---|
| jdk1.6及之前 | 有永久代(permanent generation)，静态变量存放在永久代上 |
| jdk1.7 | 有永久代，但已逐步“去永久代”，字符串常量池、静态变量移除，保存着堆中 |
| jdk1.8及之后 | 无永久代，类型信息、字段、方法、常量保存在本地内存的元空间，但字符串常量池、静态变量仍在堆 |
永久代为什么要被元空间替换？
- 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，因为功能点多，运行过程中，要不断动态加载很多类，经常出现致命错误。而元空间使用本地内存，默认情况下，元空间仅受本地内存限制。(牵扯Full GC问题) - 对永久代进行调优是很困难的。不会频繁去Full GC。
StringTable为什么要调整？
jdk7中将StringTable放到了堆空间中。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是老年代不足、永久代不足时才触发。
这就导致StringTable回收效率不高。而开发中会有大量字符串被创建，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。
方法区的垃圾回收
《Java虚拟机规范》对方法区的约束宽松，可以不要求虚拟机在方法区中实现垃圾收集。
一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻。但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。
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。
- 方法区内常量池中主要存放两大类常量：字面量和符号引用。字面量比较接近Java语言层次的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括下面三类常量：
-> 1. 类和接口的全限定名
-> 2. 字段的名称和描述符
-> 3. 方法的名称和描述符 - HotSpot虚拟机对常量池的回收策略是很明确的，只要常量池中的常量没有被任何地方引用，就可以被回收。
- 回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常相似。
-
判定一个类型是否属于“不再被使用的类”条件较苛刻，需要同时满足：
-> 1. 该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子类的实例。
-> 2. 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场景，如Osgi、JSP的重加载等，否则通常很难达成。
-> 3. 该类对应java.lang.class对象没有在任何地方被引用，无法再任何地方通过反射访问该类的方法。 -
Java虚拟机被允许对满足上述三个条件的无用类型进行回收，这里说的仅仅是“被允许”，而并不和对象一样，没有引用就必然会回收。关于是否对类型进行回收，HotSpot虚拟机提供 -Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用 -verbose:class以及 -XX:+TraceClass-Loading、 -XX:+TraceClassUnLoading查看类加载和卸载信息。
-
在大量使用反射、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场景中，通常都需要Java虚拟机具备类型卸载能力，以保证不会对方法区造成过大内存压力。
总结
内存区：
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