JVM 方法區

1. 前言

本節主要講解運行時數據區的方法區。本節主要知識點如下：

• 了解方法區的作用及意義，為本節的基礎知識；
• 了解方法區存放數據類型，為本節重點內容之一；
• 了解運行時常量池，我們在學習Class文件結構的時候，也學習過常量池結構，那么運行時常量池本節課程會進行講解；
• 了解方法區與堆內存結構的關系，以JDK 1.8 版本為分界線，進行對比講解，為本節重點內容之一。

2. 什么是方法區

定義：方法區，也稱非堆（Non-Heap），是一個被線程共享的內存區域。其中主要存儲加載的類字節碼、class/method/field 等元數據對象、static-final 常量、static 變量、JIT 編譯器編譯后的代碼等數據。另外，方法區包含了一個特殊的區域 “運行時常量池”。

Tips：對于運行時常量池，后文會有講解。

對于習慣在 HotSpot 虛擬機上開發和部署程序的開發者來說，很多人愿意把方法區稱為 “永久代”（Permanent Generation），本質上兩者并不等價，僅僅是因為 HotSpot 虛擬機的設計團隊選擇把 GC 分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已。對于其他虛擬機（如 BEA JRockit、IBM J9 等）來說是不存在永久代的概念的。

3. 方法區存放的數據

在講解方法區內存放的數據之前，我們先通過示意圖來直觀的看下，方法區存放的數據與堆內存之間的關系。如下圖所示：

從圖中可以看到，方法區存放了 ClassLoader 對象的引用，也存放了一個到類對象的引用，這兩個引用的對象實例會存放到堆內存中。從上圖我們就可以簡單的了解到方法區存放的數據是什么，接下來，我們對存放的數據類型進行解釋。

• 類型全限定名：全限定名為 package 路徑與類名稱組合起來的路徑；
• 類型的直接超類的全限定名：父類或超類的全限定名；
• 類型是類類型還是接口類型：判定當前類是 Class 還是接口 Interface；
• 類型的訪問修飾符：判斷修飾符，如 pulic，private 等；
• 類型的常量池：這部分會在下文進行講解；
• 字段信息：類中字段的信息；
• 方法信息：類中方法的信息；
• 靜態變量：類中的靜態變量信息；
• 一個到類 ClassLoader 的引用：對 ClassLoader 的引用，這個引用指向對內存；
• 一個到 Class 類的引用：對對象實例的引用，這個引用指向對內存。

4. 運行時常量池

我們先來回顧下Class 文件結構中的常量池的相關知識。

Class 文件中的常量池：
在 Class 文件結構中，最頭的 4 個字節用于存儲 Megic Number，用于確定一個文件是否能被 JVM 接受，再接著 4 個字節用于存儲版本號，前 2 個字節存儲次版本號，后 2 個存儲主版本號，再接著是用于存放常量的常量池，由于常量的數量是不固定的，所以常量池的入口放置一個 u2 類型的數據 (constant_pool_count) 存儲常量池容量計數值。

常量池主要用于存放兩大類常量：字面量（Literal）和符號引用量（Symbolic References）。更加具體的知識，同學們可以翻看之前相關的小節內容。

運行時常量池：我們回到正題，來看下運行時常量池。

Tips：其實 Class 文件中的常量池與運行時常量池的關系非常容易理解，Class 文件中的常量池用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載后進入方法區的運行時常量池中存放。簡單總結來說，編譯器使用 Class 文件中的常量池，運行期使用運行時常量池。

運行時常量池相對于 Class 文件常量池的另外一個重要特征是具備動態性，Java 語言并不要求常量一定只有編譯期才能產生，也就是并非預置入 Class 文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用比較多的就是 String 類的 intern() 方法。

5. 常量池的優勢

常量池是為了避免頻繁的創建和銷毀對象而影響系統性能，其實現了對象的共享。

例如字符串常量池，在編譯階段就把所有的字符串文字放到一個常量池中。

• 節省內存空間：常量池中所有相同的字符串常量被合并，只占用一個空間。
• 節省運行時間：比較字符串時，== 比 equals () 快。對于兩個引用變量，只用 == 判斷引用是否相等，也就可以判斷實際值是否相等。

6. 方法區內存變更

方法區的實現，虛擬機規范中并未明確規定，目前有 2 種比較主流的實現方式：

HotSpot 虛擬機 1.8之前：在 JDK1.6 及之前版本，HotSpot 使用 “永久代（permanent generation）” 的概念作為實現，即將 GC 分代收集擴展至方法區。這種實現比較偷懶，可以不必為方法區編寫專門的內存管理，但帶來的后果是容易碰到內存溢出的問題（因為永久代有 - XX:MaxPermSize 的上限）。

在 JDK1.7，HotSpot 逐漸改變方法區的實現方式，如 1.7 版本移除了方法區中的字符串常量池，但為發生本質的變化。

HotSpot 虛擬機 1.8之后：1.8 版本中移除了方法區并使用 metaspace（元數據空間）作為替代實現。metaspace 占用系統內存，也就是說，只要不碰觸到系統內存上限，方法區會有足夠的內存空間。但這不意味著我們不對方法區進行限制，如果方法區無限膨脹，最終會導致系統崩潰。

7. 小結

本節主要講解了運行時數據區里邊的方法區，方法區是一塊共享內存區域，在運行時數據區占據著十分重要的位置。我們了解了方法區里邊存儲的數據類型，也了解到了方法區的作用，同時了解了方法區內存的版本變更，通篇皆為重點知識，學習者需要用心學習。