JVM解读-方法区

2021-08-23 23:02:15

JVM解读-方法区
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java是基于一门虚拟机的语言，所以了解并且熟知虚拟机运行原理非常重要。

方法区

方法区，Method Area， 对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来说是不存在永久代的概念的。

主要存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据（比如spring 使用IOC或者AOP创建bean时，或者使用cglib，反射的形式动态生成class信息等）。

注意：JDK 6 时，String等字符串常量的信息是置于方法区中的，但是到了JDK 7 时，已经移动到了Java堆。所以，方法区也好，Java堆也罢，到底详细的保存了什么，其实没有具体定论，要结合不同的JVM版本来分析。

异常

当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError。
运行时常量池溢出：比如一直往常量池加入数据，就会引起OutOfMemoryError异常。

类信息

  1. 类型全限定名。
  2. 类型的直接超类的全限定名（除非这个类型是java.lang.Object，它没有超类）。
  3. 类型是类类型还是接口类型。
  4. 类型的访问修饰符（public、abstract或final的某个子集）。
  5. 任何直接超接口的全限定名的有序列表。
  6. 类型的常量池。
  7. 字段信息。
  8. 方法信息。
  9. 除了常量意外的所有类（静态）变量。
  10. 一个到类ClassLoader的引用。
  11. 一个到Class类的引用。

1 常量池

1.1 Class文件中的常量池

在Class文件结构中，最头的4个字节用于存储Megic Number，用于确定一个文件是否能被JVM接受，再接着4个字节用于存储版本号，前2个字节存储次版本号，后2个存储主版本号，再接着是用于存放常量的常量池，由于常量的数量是不固定的，所以常量池的入口放置一个U2类型的数据(constant_pool_count)存储常量池容量计数值。

常量池主要用于存放两大类常量：字面量(Literal)和符号引用量(Symbolic References)，字面量相当于Java语言层面常量的概念，如文本字符串，声明为final的常量值等，符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了如下三种类型的常量：

  • 类和接口的全限定名
  • 字段名称和描述符
  • 方法名称和描述符

1.2 运行时常量池

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，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

运行时常量池相对于CLass文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入CLass文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，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比较多的就是String类的intern()方法。

1.3 常量池的好处

常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。

例如字符串常量池，在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个常量池中。

  • （1）节省内存空间：常量池中所有相同的字符串常量被合并，只占用一个空间。
  • （2）节省运行时间：比较字符串时，==比equals()快。对于两个引用变量，只用==判断引用是否相等，也就可以判断实际值是否相等。

双等号==的含义

  • 基本数据类型之间应用双等号，比较的是他们的数值。
  • 复合数据类型(类)之间应用双等号，比较的是他们在内存中的存放地址。

1.4 基本类型的包装类和常量池

java中基本类型的包装类的大部分都实现了常量池技术，即Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean。

这5种包装类默认创建了数值[-128，127]的相应类型的缓存数据，但是超出此范围仍然会去创建新的对象。 两种浮点数类型的包装类Float,Double并没有实现常量池技术。

Integer与常量池

Integer i1 = 40;
Integer i2 = 40;
Integer i3 = 0;
Integer i4 = new Integer(40);
Integer i5 = new Integer(40);
Integer i6 = new Integer(0);
 
System.out.println("i1=i2   " + (i1 == i2));
System.out.println("i1=i2+i3   " + (i1 == i2 + i3));
System.out.println("i1=i4   " + (i1 == i4));
System.out.println("i4=i5   " + (i4 == i5));
System.out.println("i4=i5+i6   " + (i4 == i5 + i6));  
System.out.println("40=i5+i6   " + (40 == i5 + i6));
 
 
i1=i2   true
i1=i2+i3   true
i1=i4   false
i4=i5   false
i4=i5+i6   true
40=i5+i6   true

解释：

  • (1)Integer i1=40；Java在编译的时候会直接将代码封装成Integer i1=Integer.valueOf(40);，从而使用常量池中的对象。
  • (2)Integer i1 = new Integer(40);这种情况下会创建新的对象。
  • (3)语句i4 == i5 + i6，因为+这个操作符不适用于Integer对象，首先i5和i6进行自动拆箱操作，进行数值相加，即i4 == 40。然后Integer对象无法与数值进行直接比较，所以i4自动拆箱转为int值40，最终这条语句转为40 == 40进行数值比较。

String与常量池

String str1 = "abcd";
String str2 = new String("abcd");
System.out.println(str1==str2);//false
  
String str1 = "str";
String str2 = "ing";
String str3 = "str" + "ing";
String str4 = str1 + str2;
System.out.println(str3 == str4);//false
  
String str5 = "string";
System.out.println(str3 == str5);//true

解释：

  • (1)new String("abcd")是在常量池中拿对象，"abcd"是直接在堆内存空间创建一个新的对象。只要使用new方法，便需要创建新的对象。
  • (2)连接表达式 +
    只有使用引号包含文本的方式创建的String对象之间使用“+”连接产生的新对象才会被加入字符串池中。
    对于所有包含new方式新建对象（包括null）的“+”连接表达式，它所产生的新对象都不会被加入字符串池中。
public static final String A; // 常量A
public static final String B;    // 常量B
static {  
   A = "ab";  
   B = "cd";  
}  
public static void main(String[] args) {  
// 将两个常量用+连接对s进行初始化  
String s = A + B;  
String t = "abcd";  
if (s == t) {  
    System.out.println("s等于t，它们是同一个对象");  
  } else {  
    System.out.println("s不等于t，它们不是同一个对象");  
  }  
}

解释：

s不等于t，它们不是同一个对象。

A和B虽然被定义为常量，但是它们都没有马上被赋值。在运算出s的值之前，他们何时被赋值，以及被赋予什么样的值，都是个变数。因此A和B在被赋值之前，性质类似于一个变量。那么s就不能在编译期被确定，而只能在运行时被创建了。

String s1 = new String("xyz"); //创建了几个对象？

解释：

考虑类加载阶段和实际执行时。

  • （1）类加载对一个类只会进行一次。”xyz”在类加载时就已经创建并驻留了（如果该类被加载之前已经有”xyz”字符串被驻留过则不需要重复创建用于驻留的”xyz”实例）。驻留的字符串是放在全局共享的字符串常量池中的。
  • （2）在这段代码后续被运行的时候，”xyz”字面量对应的String实例已经固定了，不会再被重复创建。所以这段代码将常量池中的对象复制一份放到heap中，并且把heap中的这个对象的引用交给s1 持有。

这条语句创建了2个对象。

public static void main(String[] args) {
String s1 = new String("计算机");
String s2 = s1.intern();
String s3 = "计算机";
System.out.println("s1 == s2? " + (s1 == s2));
System.out.println("s3 == s2? " + (s3 == s2));
}
s1 == s2? false
s3 == s2? true

解释：

String的intern()方法会查找在常量池中是否存在一份equal相等的字符串,如果有则返回该字符串的引用,如果没有则添加自己的字符串进入常量池。

public class Test {public static void main(String[] args) {
 String hello = "Hello", lo = "lo";
 System.out.println((hello == "Hello") + " "); //true
 System.out.println((Other.hello == hello) + " "); //true
 System.out.println((other.Other.hello == hello) + " "); //true
 System.out.println((hello == ("Hel"+"lo")) + " "); //true
 System.out.println((hello == ("Hel"+lo)) + " "); //false
 System.out.println(hello == ("Hel"+lo).intern()); //true
 }
}
 
class Other {
 static String hello = "Hello";
}
 
 
package other;
 
public class Other {
 public static String hello = "Hello";
}

解释：

在同包同类下,引用自同一String对象.

在同包不同类下,引用自同一String对象.

在不同包不同类下,依然引用自同一String对象.

在编译成.class时能够识别为同一字符串的,自动优化成常量,引用自同一String对象.

在运行时创建的字符串具有独立的内存地址,所以不引用自同一String对象.

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个人介绍：

高广超 ：多年一线互联网研发与架构设计经验，擅长设计与落地高可用、高性能互联网架构。目前就职于美团网，负责核心业务研发工作。

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