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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