详解JVM类加载机制

前几篇文章我们分别详细描述了
JVM整体的内存结构
JVM对象内存是如何布局的以及内存分配的详细过程

但是对JVM内存结构各个模块没有深入的分析，为了熟悉JVM底层结构，接下来将把JVM运行时数据区的各个模块逐一分析，体系化的理解JVM的各个模块。

详解JVM运行时数据区之程序计数器
详解JVM运行时数据区之栈区
详解JVM运行时数据区之堆内存
详解JVM运行时数据区之方法区

阅读前思考

• 说一下 JVM 运行时数据区吧，都有哪些区？分别是干什么的？
• Java 8 的内存分代改进
• 举例栈溢出的情况？
• 调整栈大小，就能保存不出现溢出吗？
• 分配的栈内存越大越好吗？
• 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？
• 方法中定义的局部变量是否线程安全？

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运行时数据区

内存是非常重要的系统资源，是硬盘和 CPU 的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行。JVM 内存布局规定了 Java 在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了 JVM 的高效稳定运行。不同的 JVM 对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。

下图是 JVM 整体架构，中间部分就是 Java 虚拟机定义的各种运行时数据区域。

Java 虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程一一对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

• 线程私有：程序计数器、栈、本地栈
• 线程共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）

方法区

• 方法区（Method Area）与 Java 堆一样，是所有线程共享的内存区域。
• 虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开。
• 运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。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（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将类在加载后进入方法区的运行时常量池中存放。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得比较多的是 String.intern()方法。受方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。
• 方法区的大小和堆空间一样，可以选择固定大小也可选择可扩展，方法区的大小决定了系统可以放多少个类，如果系统类太多，导致方法区溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出错误
• JVM 关闭后方法区即被释放

解惑

你是否也有看不同的参考资料，有的内存结构图有方法区，有的又是永久代，元数据区，一脸懵逼的时候？

• 方法区（method area）只是 JVM 规范中定义的一个概念，用于存储类信息、常量池、静态变量、JIT编译后的代码等数据，并没有规定如何去实现它，不同的厂商有不同的实现。而永久代（PermGen）是 Hotspot 虚拟机特有的概念， Java8 的时候又被元空间取代了，永久代和元空间都可以理解为方法区的落地实现。
• 永久代物理是堆的一部分，和新生代，老年代地址是连续的（受垃圾回收器管理），而元空间存在于本地内存（我们常说的堆外内存，不受垃圾回收器管理），这样就不受 JVM 限制了，也比较难发生OOM（都会有溢出异常）
• Java7 中我们通过-XX:PermSize 和 -xx:MaxPermSize 来设置永久代参数，Java8 之后，随着永久代的取消，这些参数也就随之失效了，改为通过-XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 用来设置元空间参数
• 存储内容不同，元空间存储类的元信息，静态变量和常量池等并入堆中。相当于永久代的数据被分到了堆和元空间中
• 如果方法区域中的内存不能用于满足分配请求，则 Java 虚拟机抛出 OutOfMemoryError
• JVM 规范说方法区在逻辑上是堆的一部分，但目前实际上是与 Java 堆分开的（Non-Heap）

所以对于方法区，Java8 之后的变化：

• 移除了永久代（PermGen），替换为元空间（Metaspace）；
• 永久代中的 class metadata 转移到了 native memory（本地内存，而不是虚拟机）；
• 永久代中的 interned Strings 和 class static variables 转移到了 Java heap；
• 永久代参数 （PermSize MaxPermSize） -> 元空间参数（MetaspaceSize MaxMetaspaceSize）

设置方法区内存的大小

JDK8 及以后：

• 元数据区大小可以使用参数 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 指定，替代上述原有的两个参数
• 默认值依赖于平台。Windows 下，-XX:MetaspaceSize 是 21M，-XX:MaxMetaspacaSize 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 的值为20.75MB，这就是初始的高水位线，一旦触及这个水位线，Full GC 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，通过垃圾回收的日志可观察到 Full GC 多次调用。为了避免频繁 GC，建议将 -XX:MetaspaceSize 设置为一个相对较高的值。

方法区内部结构

<mark>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。</mark>

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）
• 这个类型直接接口的一个有序列表

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

JVM 必须保存所有方法的

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

栈、堆、方法区的交互关系

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，理解运行时常量池的话，我们先来说说字节码文件（Class 文件）中的常量池（常量池表）

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。

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。在动态链接的时候用到的就是运行时常量池。

如下，我们通过 jclasslib 查看一个只有 Main 方法的简单类，字节码中的 #2 指向的就是 Constant Pool

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

• 在加载类和结构到虚拟机后，就会创建对应的运行时常量池
• 常量池表（Constant Pool Table）是 Class 文件的一部分，用于存储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存放到方法区的运行时常量池中
• 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项一样，是通过索引访问的

• 运行时常量池中包含各种不同的常量，包括编译器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 文件常量池的另一个重要特征是：动态性，Java 语言并不要求常量一定只有编译期间才能产生，运行期间也可以将新的常量放入池中，String 类的 intern() 方法就是这样的
• 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，则 JVM 会抛出 OutOfMemoryError 异常。

方法区在 JDK6、7、8中的演进细节

只有 HotSpot 才有永久代的概念

jdk1.6及之前	有永久代，静态变量存放在永久代上
jdk1.7	有永久代，但已经逐步“去永久代”，字符串常量池、静态变量移除，保存在堆中
jdk1.8及之后	取消永久代，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、静态变量仍在堆中

移除永久代原因

http://openjdk.java.net/jeps/122

• 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。如果某个实际 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 OOM。而元空间和永久代最大的区别在于，元空间不在虚拟机中，而是使用本地内存，所以默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制

• 对永久代进行调优较困难

5.6 方法区的垃圾回收

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。

先来说说方法区内常量池之中主要存放的两大类常量：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：

• 类和接口的全限定名
• 字段的名称和描述符
• 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

判定一个类型是否属于“不再被使用的类”，需要同时满足三个条件：

• 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
• 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，否则通常很难达成
• 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法

Java 虚拟机被允许堆满足上述三个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“被允许”，而并不是和对象一样，不使用了就必然会回收。是否对类进行回收，HotSpot 虚拟机提供了 -Xnoclassgc 参数进行控制，还可以使用 -verbose:class 以及 -XX:+TraceClassLoading 、-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 ByteCode 框架、动态生成 JSP 以及 OSGi 这类频繁自定义 ClassLoader 的场景都需要虚拟机具备类卸载的功能，以保证永久代不会溢出。

接下来我们将学习：详解JVM运行时数据区之方法区。

参考与感谢

《深入理解 Java 虚拟机 第三版》

宋红康老师的 JVM 教程

https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html

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