方法区与元空间
方法区核心概念
方法区(Method Area)是JVM规范中定义的一块逻辑区域，是所有线程共享的内存区域。
《Java虚拟机规范》只规定了方法区的概念和作用，具体如何实现由虚拟机自己决定。 不同虚拟机的实现差异很大。
方法区存储什么
当虚拟机加载一个类时，会将类的元数据存入方法区：
存储内容
1. 类的元数据
类的完整结构信息：
- 类名、父类、接口、访问修饰符
- 字段信息(名称、类型、修饰符)
- 方法信息(名称、参数、返回值、修饰符)
2. 方法的字节码
每个方法的原始指令序列。
3. 运行时常量池
由Class文件常量池转换而来，存放字面量和符号引用。
不在方法区的数据
以下数据不在方法区(JDK 7+)：
| 数据类型 | 存储位置 |
|---|---|
| 静态变量 | Java堆(与Class对象一起) |
| 字符串常量池 | Java堆 |
| JIT编译后的代码 | Code Cache |
方法区的实现演进
方法区是规范，永久代和元空间是HotSpot虚拟机的两种实现方式：
JDK 1.8之前：永久代(PermGen)
特点：
- 使用JVM堆内存
- 大小固定，需要预先设置
- 容易出现
OutOfMemoryError: PermGen space
JDK 1.8及之后：元空间(Metaspace)
特点：
- 使用本地内存(Native Memory)
- 可以动态调整大小
- 理论上受限于系统可用内存
为什么用元空间替换永久代
1. 永久代大小固定
永久代大小在JVM启动时就确定，无法动态调整。如果加载的类太多，容易OOM。
# 永久代配置
-XX:PermSize=64m
-XX:MaxPermSize=128m
2. 元空间更灵活
元空间可以根据需要自动扩展，溢出几率更小。
# 元空间配置
-XX:MetaspaceSize=128m # 初始高水位线
-XX:MaxMetaspaceSize=256m # 最大大小(默认无限制)
3. 简化GC
永久代的GC效率低，只有Full GC才会回收。元空间的类卸载更加高效。
4. 统一虚拟机
合并HotSpot和JRockit时，JRockit没有永久代的概念，使用元空间便于统一。
永久代与元空间对比
| 特性 | 永久代(PermGen) | 元空间(Metaspace) |
|---|---|---|
| JDK版本 | JDK 7及之前 | JDK 8及之后 |
| 内存位置 | JVM堆内存 | 本地内存 |
| 大小限制 | 固定大小 | 默认无限制 |
| GC触发 | Full GC | 达到阈值触发 |
| OOM类型 | PermGen space | Metaspace |
| 调优难度 | 需要预估大小 | 相对简单 |
元空间配置参数
基础参数
# 元空间初始大小(触发GC的阈值)
-XX:MetaspaceSize=128m
# 元空间最大大小(默认unlimited)
-XX:MaxMetaspaceSize=256m
高级参数
# 最小空闲比例，低于此值会扩容
-XX:MinMetaspaceFreeRatio=40
# 最大空闲比例，高于此值会缩容
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio=70
# 压缩类空间大小(64位JVM，开启指针压缩时)
-XX:CompressedClassSpaceSize=1g
配置建议
不建议不设置MaxMetaspaceSize：如果不指定，元空间会耗尽所有可用系统内存！
# 生产环境推荐配置
-XX:MetaspaceSize=256m
-XX:MaxMetaspaceSize=512m
运行时常量池
核心概念
运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分，由Class文件的常量池表转换而来。
Class文件的常量池表存放：
1. 字面量(Literal)
源代码中的固定值：
- 整数字面量：123
- 浮点字面量：3.14
- 字符串字面量："Hello"
2. 符号引用(Symbolic Reference)
- 类的全限定名：com/example/UserService
- 字段的名称和描述符：userName:Ljava/lang/String;
- 方法的名称和描述符：getUserById:(I)Lcom/example/User;
符号引用 vs 直接引用
符号引用：用一组符号描述引用的目标，与内存布局无关 直接引用：直接指向目标的指针、偏移量或句柄，与内存布局相关
在类加载的解析阶段，符号引用转换为直接引用。
// 示例
public class OrderService {
private UserService userService; // 编译时：符号引用
public void createOrder(int userId) {
User user = userService.getUserById(userId); // 运行时：直接引用
}
}
方法区溢出
永久代溢出(JDK 7及之前)
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
常见原因：
- 大量使用动态代理
- 频繁使用反射
- CGLib生成大量类
- JSP编译生成大量类
// 模拟永久代溢出
public class PermGenOOM {
public static void main(String[] args) {
while (true) {
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(Object.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (obj, method, args1, proxy) ->
proxy.invokeSuper(obj, args1));
enhancer.create(); // 不断创建类
}
}
}
元空间溢出(JDK 8及之后)
java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
解决方案：
# 增大元空间大小
-XX:MaxMetaspaceSize=512m
# 或者检查是否有类加载器泄漏
方法区监控
使用JMX
public class MetaspaceMonitor {
public static void monitor() {
for (MemoryPoolMXBean pool : ManagementFactory.getMemoryPoolMXBeans()) {
if ("Metaspace".equals(pool.getName())) {
MemoryUsage usage = pool.getUsage();
long used = usage.getUsed();
long max = usage.getMax();
System.out.printf("元空间使用: %d MB, 最大: %s MB%n",
used / 1024 / 1024,
max == -1 ? "无限制" : max / 1024 / 1024);
}
}
}
}
使用命令行工具
# 查看元空间使用情况
jstat -gcmetacapacity <pid>
# 查看类加载信息
jstat -class <pid>
类卸载条件
方法区的类不容易被回收，需要同时满足三个条件：
- 该类的所有实例都已被回收：堆中不存在该类及其子类的任何实例
- 加载该类的ClassLoader已被回收：通常难以达成
- 该类的Class对象没有被引用：无法通过反射访问该类
public class ClassUnloadDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 使用自定义类加载器
CustomClassLoader loader = new CustomClassLoader();
Class<?> clazz = loader.loadClass("com.example.TempClass");
Object instance = clazz.newInstance();
// 断开所有引用
instance = null; // 条件1: 实例被回收
clazz = null; // 条件3: Class对象无引用
loader = null; // 条件2: ClassLoader被回收
System.gc(); // 提示GC，但不保证立即回收类
}
}
最佳实践
1. 合理设置元空间大小
# 根据应用特点设置
-XX:MetaspaceSize=256m
-XX:MaxMetaspaceSize=512m
2. 监控元空间使用
定期监控元空间使用情况，及时发现类加载异常。
3. 避免类加载器泄漏
在使用自定义类加载器时，确保正确释放引用。
4. 使用合适的框架版本
选择对方法区友好的框架版本，避免创建过多的动态类。
理解方法区和元空间的工作原理，对于诊断类加载问题、优化JVM配置非常重要。