【详解】JVM——内存结构之方法区

目录

定义

  • 是所有Java虚拟机线程共享的区
  • 存储了跟类的结构相关的信息，包括方法，构造器，成员属性，运行时常量池 等
  • 在虚拟机启动时被创建
  • 逻辑上是堆的组成部分（并不强制所有的厂商按照这一条，1.8以前用的堆内存，1.8以后用的是系统内存）
  • 方法区也会导致内存溢出

组成

1.6采用的是永久代实现了方法区，1.8采用了元空间实现方法区，在本地内存实现。

常量池、运行时常量池

常量池

  • 即class文件常量池，是class文件的一部分，用于保存编译时确定的数据，如下图所示

运行时常量池

  • Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，运行期间也可能产生新的常量，这些常量被放在运行时常量池中。

  • 类加载后，常量池中的数据会在运行时常量池中存放！

  • 这里所说的常量包括：基本类型包装类（包装类不管理浮点型，整形只会管理-128到127）和String（也可以通过String.intern()方法可以强制将String放入常量池）

内存溢出问题

代码演示：

import jdk.internal.org.objectweb.asm.ClassWriter;
import jdk.internal.org.objectweb.asm.Opcodes;

/** * 演示元空间内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace * -XX:MaxMetaspaceSize=8m */
public class Demo1_8 extends ClassLoader { // 可以用来加载类的二进制字节码
    public static void main(String[] args) {
        int j = 0;
        try {
            Demo1_8 test = new Demo1_8();
            for (int i = 0; i < 10000; i++, j++) {
                // ClassWriter 作用是生成类的二进制字节码
                ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
                // 版本号， public， 类名, 包名, 父类， 接口
                cw.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);
                // 返回 byte[]
                byte[] code = cw.toByteArray();
                // 执行了类的加载
                test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length); // Class 对象
            }
        } finally {
            System.out.println(j);
        }
    }
}

可能出现的场景

  • Spring
  • mybatis

运行时常量池

  • 一个类执行时会先编译成字节码文件，包含类的基本信息，常量池，类方法定义，包含虚拟机指令

  • 可以利用javap -v xxxx.class，反编译字节码文件

  • 类方法定义区，会去常量池找对应的常量及其类型

  • 常量池的作用给虚拟机指令提供各个常量的符号定义，方便类方法指令去查找

  • 常量池，就是一张表，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、字面量等信息

  • 运行时常量池，常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载，它的<mark>常量池信息就会放入运行时常量池</mark>，并把里面的符号地址变为真实地址

StringTable

先看几道面试题：

String s1 = "a";
String s2 = "b";
String s3 = "a" + "b";
String s4 = s1 + s2;
String s5 = "ab";
String s6 = s4.intern();
// 问
System.out.println(s3 == s4);
System.out.println(s3 == s5);
System.out.println(s3 == s6);
String x2 = new String("c") + new String("d");
String x1 = "cd";
x2.intern();
// 问，如果调换了【最后两行代码】的位置呢，如果是jdk1.6呢
System.out.println(x1 == x2);

演示代码

// StringTable [ "a", "b" ,"ab" ] hashtable 结构，不能扩容
public class Demo1_22 {
    // 常量池中的信息，都会被加载到运行时常量池中， 这时 a b ab 都是常量池中的符号，还没有变为 java 字符串对象
    // ldc #2 会把 a 符号变为 "a" 字符串对象
    // ldc #3 会把 b 符号变为 "b" 字符串对象
    // ldc #4 会把 ab 符号变为 "ab" 字符串对象

    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "a"; // 懒惰的
        String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
        String s4 = s1 + s2; // new StringBuilder().append("a").append("b").toString() 相当于new String("ab")
        String s5 = "a" + "b";  // javac 在编译期间的优化，结果已经在编译期确定为ab

        System.out.println(s3 == s5);



    }
}

/** * 演示字符串字面量也是【延迟】成为对象的 */
public class TestString {
    public static void main(String[] args) {
        int x = args.length;
        System.out.println(); // 字符串个数 2275

        System.out.print("1");
        System.out.print("2");
        System.out.print("3");
        System.out.print("4");
        System.out.print("5");
        System.out.print("6");
        System.out.print("7");
        System.out.print("8");
        System.out.print("9");
        System.out.print("0");
        System.out.print("1"); // 字符串个数 2285，可以看出，只有当遇到时才进行创建，具有延迟加载特性
        System.out.print("2");
        System.out.print("3");
        System.out.print("4");
        System.out.print("5");
        System.out.print("6");
        System.out.print("7");
        System.out.print("8");
        System.out.print("9");
        System.out.print("0");
        System.out.print(x); // 字符串个数
    }
}

特点

  • 数据结构为哈希表，不能扩容
  • 先去串池中找，如果没有就会创建该字符串
  • 用到某个字符串，才会去创建它，不会提前创建
  • 每一个字符串，在串池中是唯一的（key是唯一的）
  • 编译期会对 “ + ”进行优化，如果结果已经在编译期确定，则可以直接提前拼接好；但是变量的拼接，无法保证变量是不可变的，则需要通过StringBuilder拼接生成
  • 常量池中的字符串仅是符号，第一次用到时才变为对象,具有延迟加载特性
  • 利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象
  • 字符串变量拼接的原理是 StringBuilder （1.8） 
public class Demo1_23 {

    // ["ab", "a", "b"]
    public static void main(String[] args) {

       
        String s = new String("a") + new String("b");
        String x = "ab";
        // 堆 new String("a") new String("b") new String("ab")
        String s2 = s.intern(); // 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则并不会放入，如果没有则放入串池， 会把串池中的对象返回

        System.out.println( s2 == x);//true
        System.out.println( s == x );//false，
    }

}

<mark>通过动态拼接形成的字符串，只存在堆中，可以使用 intern 方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池</mark>

1.8 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则并不会放入，如果没有则放入串池，会把串池中的对象返回
1.6 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则并不会放入，如果没有会把此对象复制一份，放入串池， 会把串池中的对象返回

<mark>intern()的使用，如果串池中没有该字符串，因为串池中放的就是s的对象，则一定返回的还是s；但是如果串池中已经存在，则该对象不会放在串池中，但是返回的对象是串中的ab，则一定不相等</mark>
如果是jdk1.6，则一定返回的不是s的对象，一定不相等

面试题答案

/** * 演示字符串相关面试题 */
public class Demo1_21 {

    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "a" + "b"; // ab
        String s4 = s1 + s2;   // new String("ab")
        String s5 = "ab";
        String s6 = s4.intern();

// 问
        System.out.println(s3 == s4); // false
        System.out.println(s3 == s5); // true
        System.out.println(s3 == s6); // true

        String x2 = new String("c") + new String("d"); // new String("cd")
        x2.intern();
        String x1 = "cd";

// 问，如果调换了【最后两行代码】的位置呢，如果是jdk1.6呢
        System.out.println(x1 == x2);
    }
}

<mark>注意：intern方法只是尝试入池</mark>

StringTable 位置

这样做的目的是因为永久代回收效率太低，而常量池使用特别频繁，容易造成永久代空间溢出。所以最后转到了堆中。

案例实验，可以根据内存溢出错误的提示判断常量池在哪个地方，如下面代码所示：

/** * 演示 StringTable 位置 * 在jdk8下设置 -Xmx10m -XX:-UseGCOverheadLimit * 在jdk6下设置 -XX:MaxPermSize=10m */
public class Demo1_6 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        int i = 0;
        try {
            for (int j = 0; j < 260000; j++) {
                list.add(String.valueOf(j).intern());
                i++;
            }
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

StringTable 垃圾回收

观察下面案例

/** * 演示 StringTable 垃圾回收 * -Xmx10m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc */
public class Demo1_7 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        try {
            for (int j = 0; j < 100000; j++) { // j=100, j=10000
                String.valueOf(j).intern();
                i++;
            }
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(i);
        }

    }
}
  • XX:+PrintStringTableStatistics 打印字符串表的详细信息
  • -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc 是打印垃圾回收的详细信息

StringTable statistics:
Number of buckets : 65536 = 524288 bytes, each 8
Number of entries : 28042 = 448672 bytes, each 16
Number of literals : 28042 = 969296 bytes, avg 34.000
Total footprint : = 1942256 bytes
Average bucket size : 0.428
Variance of bucket size : 0.529
Std. dev. of bucket size: 0.727
Maximum bucket size : 5

  • Number of entries 存储的字符串对象

StringTable 性能调优

主要调整桶的个数

观察下面案例

/** * 演示串池大小对性能的影响 * -Xms500m -Xmx500m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:StringTableSize=1009 */
public class Demo1_24 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
    	//linux.words有48万的单词
        try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream("linux.words"), "utf-8"))) {
            String line = null;
            long start = System.nanoTime();
            while (true) {
                line = reader.readLine();
                if (line == null) {
                    break;
                }
                line.intern();
            }
            System.out.println("cost:" + (System.nanoTime() - start) / 1000000);
        }


    }
}
  • 调整 -XX:StringTableSize=桶个数
  • 桶个数越小，效率越低，因为StringTable的数据结构实现是HashTable，桶的个数越大，会有更好hash分布，减少hash冲突

观察下面案例

/** * 演示 intern 减少内存占用 * -XX:StringTableSize=200000 -XX:+PrintStringTableStatistics * -Xsx500m -Xmx500m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:StringTableSize=200000 */
public class Demo1_25 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        List<String> address = new ArrayList<>();
        System.in.read();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream("linux.words"), "utf-8"))) {
                String line = null;
                long start = System.nanoTime();
                while (true) {
                    line = reader.readLine();
                    if(line == null) {
                        break;
                    }
                    address.add(line.intern());
                }
                System.out.println("cost:" +(System.nanoTime()-start)/1000000);
            }
        }
        System.in.read();


    }
}
  • 考虑将字符串是否入池
  • 将字符串入池，可以将重复的字符串都保存在一个串池中的地方，再将串池中的对象返回，重复的字符串都会被垃圾回收掉
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