本文主要介紹java內(nèi)存區(qū)域和GC回收

• java內(nèi)存區(qū)域
• 垃圾收集器
• 參考

java內(nèi)存區(qū)域

運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域

java虛擬機(jī)在執(zhí)行java程序的過程中會(huì)把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。

java內(nèi)存區(qū)域

我們注意到運(yùn)行時(shí)區(qū)域主要會(huì)包括5部分區(qū)域，它們有個(gè)各自的用途，以及創(chuàng)建和銷毀時(shí)間，有的依賴虛擬機(jī)進(jìn)程，有的依賴用戶線程。

• 程序計(jì)數(shù)器
  程序計(jì)數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用是當(dāng)前線程所執(zhí)行到的字節(jié)碼的位置指示器。字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過改變計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，從而達(dá)到分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理等基本功能。
  java虛擬機(jī)中的多線程實(shí)際是通過線程輪流切換實(shí)現(xiàn)的。所以實(shí)際上在同一時(shí)刻，處理器的一個(gè)內(nèi)核只會(huì)執(zhí)行一條指令。因此為了線程切換后還能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，需要每個(gè)線程都要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器。而且他們之間互補(bǔ)影響，獨(dú)立工作。所以程序計(jì)數(shù)器是一塊線程私有的內(nèi)存。
• 本地方法棧
  與程序計(jì)數(shù)器一樣，本地方法棧也是線程私有的。本地方法棧為虛擬機(jī)提供使用Native方法服務(wù)。由于虛擬機(jī)規(guī)范并沒有對(duì)本地方法棧中的使用語言和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等做強(qiáng)制規(guī)定，所以虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)。
• java虛擬機(jī)棧
  同本地方法棧，虛擬機(jī)棧是線程私有，它的生命周期與當(dāng)前線程相同。它為虛擬機(jī)執(zhí)行java方法提供服務(wù)。它描述的內(nèi)存模型：每個(gè)方法被執(zhí)行的時(shí)候會(huì)同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)棧楨，用于存儲(chǔ)局部變量、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每個(gè)方法的調(diào)用到返回結(jié)果的過程，就是對(duì)應(yīng)一個(gè)棧楨的入棧與出棧。
  經(jīng)常有人會(huì)說java內(nèi)存可以粗糙的區(qū)分為堆和棧，這里的棧就是虛擬機(jī)棧，而虛擬機(jī)棧中最重要的就是局部變量表。
  局部變量表存放了編譯期可知的基本數(shù)據(jù)類型、對(duì)象的引用（reference類型，它可能只想對(duì)象起始地址的引用指針，也可能指向代表改對(duì)象的句柄）。局部變量表所需要的內(nèi)存在編譯期完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，此方法所需要的內(nèi)存空間大小是確定的，所以在方法運(yùn)行期間，不會(huì)改變局部變量表的大小。
• java堆
  對(duì)于虛擬機(jī)來說，堆是其所管理的最大的一塊內(nèi)存。java堆是指被線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，它在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)即創(chuàng)建，堆的唯一目的時(shí)存放對(duì)象實(shí)例。同時(shí)由于堆空間有限，對(duì)象的創(chuàng)建和銷毀是時(shí)常發(fā)生的，所以java堆是垃圾收集器的主要管理區(qū)域，所以java堆有時(shí)也會(huì)稱為GC堆。現(xiàn)在的GC回收基本都采用分代回收算法，所以堆可以細(xì)分為新生代和老年代，新生代又可以分為eden區(qū)，from Survivor空間和to Survivor空間等。對(duì)于堆中的各個(gè)區(qū)域分配和回收細(xì)節(jié)，在GC部分講解。
  在虛擬機(jī)規(guī)范中，沒有強(qiáng)制要求堆是物理內(nèi)存連續(xù)的，只是邏輯上連續(xù)即可。所以當(dāng)前的主流虛擬機(jī)的堆空間都是可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)容的，可以通過-Xmx和-Xms控制。
• 方法區(qū)
  方法區(qū)同java堆都是線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。java虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)規(guī)范對(duì)該區(qū)域并沒有強(qiáng)制要求實(shí)現(xiàn)GC回收，所以相對(duì)而言，該區(qū)域的垃圾收集器很少出現(xiàn)，所以有人開發(fā)者會(huì)成稱該區(qū)域?yàn)橛谰么＿@個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載。
  運(yùn)行時(shí)常量池
  一個(gè)class文件除了有類的版本、字段、方法、接口等描述以外，還有一項(xiàng)是常量池，用于存放編譯期間生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。運(yùn)行時(shí)常量池是具有動(dòng)態(tài)性的，java虛擬機(jī)對(duì)class文件的每一部分的格式有嚴(yán)格的規(guī)定，每個(gè)字節(jié)用于存儲(chǔ)哪種數(shù)據(jù)都有規(guī)范要求，這樣才會(huì)被虛擬機(jī)認(rèn)可。但是對(duì)于常量池是比較寬松的，因?yàn)閖ava并不要求常量一定要編譯期產(chǎn)生，也可以在運(yùn)行期間放入常量，比如String的intern()方法。

對(duì)象訪問

在java虛擬機(jī)棧中我們提到局部變量表存放了對(duì)象的引用，我們都知道對(duì)象是分配的java堆中的，那么具體是怎么引用的呢？
比如Object obj = new Object();，假設(shè)這句代碼出現(xiàn)在方法體中，那么“Object obj ”這部分語義將會(huì)反映到j(luò)ava棧的本地變量表中（為reference類型），而“new Object()”這部分語義將會(huì)反映在java堆上，形成一塊存儲(chǔ)了Object類型所有實(shí)例數(shù)據(jù)值的結(jié)構(gòu)化內(nèi)存。
由于reference類型在java虛擬機(jī)規(guī)范中只規(guī)定了一個(gè)指向?qū)ο蟮囊茫栽趯?shí)際虛擬機(jī)中訪問會(huì)有所不同，主流訪問有兩種：

• 句柄訪問
• 直接指針訪問

句柄訪問

java堆會(huì)劃分出一小塊內(nèi)存空間作為句柄池，reference中存儲(chǔ)的就是對(duì)象的句柄地址，二句柄中包含了對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)和類型數(shù)據(jù)的各自地址信息。

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直接地址訪問

reference中直接存儲(chǔ)的就是對(duì)象的地址，java堆需要考慮對(duì)象的布局中如何存放訪問類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。

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這兩種對(duì)象的訪問方式各有優(yōu)勢(shì)，使用句柄訪問方式的最大好處就是reference中存儲(chǔ)的是穩(wěn)定的句柄地址，在對(duì)象被移動(dòng)時(shí)只會(huì)改變句柄中的實(shí)例數(shù)據(jù)指針，而reference本身不需要被修改。使用直接指針訪問方式的最大好處就是速度更快，它節(jié)省了一次指針定位的的時(shí)間開銷。

垃圾收集器

判斷對(duì)象死亡

GC在對(duì)堆內(nèi)存進(jìn)行回收前，第一件事是需要確定哪些對(duì)象是需要被回收的，所以就需要判斷對(duì)象是否存活。一般的有兩種方法來判斷：

1. 引用計(jì)數(shù)法
   給一個(gè)對(duì)象添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有地方對(duì)其引用時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)引用實(shí)效時(shí)，計(jì)數(shù)器減1，任何時(shí)刻計(jì)數(shù)器為0時(shí)就表示該對(duì)象不再被使用。
   引用計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，通常是比較高效的，但是引用計(jì)數(shù)法有個(gè)弊端是當(dāng)兩個(gè)不再被使用的對(duì)象互相引用時(shí)，導(dǎo)致兩者都不會(huì)被釋放。
2. 根搜索算法
   根搜索算法是指通過一系列名為“GC roots"的對(duì)象為起點(diǎn)，從這些節(jié)點(diǎn)開始向下搜索，搜索過的路徑稱為引用鏈，當(dāng)一個(gè)對(duì)象到GC roots沒有任何引用鏈相連，就表示此對(duì)象不再被使用。
   在java語言中，作為GC roots的對(duì)象包括以下幾種：
   a. java虛擬機(jī)棧（棧楨中本地變量表）中引用的對(duì)象
   b. 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對(duì)象
   c. 方法區(qū)中常量引用的對(duì)象
   d. 本地方法棧中JNI引用的對(duì)象

方法區(qū)回收

前面已經(jīng)提到方法區(qū)是很少出現(xiàn)垃圾收集器的，因?yàn)榉椒▍^(qū)回收的性價(jià)比比較低，通常堆內(nèi)存的回收一次可以回收70%-95%的空間，但方法區(qū)的垃圾收集器效率很低。
一般的，方法區(qū)回收主要由兩部分：
1.廢棄常量
廢棄的常量與堆回收比較類似，只需要指導(dǎo)該常量是否在其他地方被使用即可。
2.無用的類
這種情況的判斷比較苛刻，一般要求滿足以下三個(gè)條件才算是無用的：
a. 該類的所有實(shí)例都被回收
b. 加載該類的ClassLoader也被回收
c. 該類對(duì)應(yīng)的java.lang.class對(duì)象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類

GC回收算法

1.標(biāo)記-清除算法
最基礎(chǔ)的收集算法是“標(biāo)記-清除”（Mark-Sweep）算法，如同它的名字一樣，算法分為“標(biāo)記”和“清除”兩個(gè)階段。
a. 首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象
b. 在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對(duì)象。
缺點(diǎn)：
效率問題：標(biāo)記和清除兩個(gè)過程的效率都不高
空間問題：標(biāo)記清除之后產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，空間碎片太多可能會(huì)導(dǎo)致以后程序運(yùn)行過程中需要分配較大對(duì)象時(shí)，無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集動(dòng)作。

標(biāo)記-清除算法

2.復(fù)制算法
目的是為了解決效率問題。
將可用內(nèi)存按容量大小劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當(dāng)一塊內(nèi)存使用完了，就將還存活著的對(duì)象復(fù)制到另一塊上面，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。這樣使得每次都是對(duì)整個(gè)半?yún)^(qū)進(jìn)行內(nèi)存回收，內(nèi)存分配時(shí)也就不用考慮內(nèi)存碎片等復(fù)雜情況。
缺點(diǎn): 將內(nèi)存縮小為了原來的一半。

復(fù)制算法

3.標(biāo)記-整理算法
復(fù)制收集算法在對(duì)象存活率較高時(shí)，就要進(jìn)行較多的復(fù)制操作，效率就會(huì)變低。 根據(jù)老年代的特點(diǎn)，提出了“標(biāo)記-整理”算法。
標(biāo)記過程仍然與”標(biāo)記-清除“算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對(duì)可回收對(duì)象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對(duì)象都向一端移動(dòng)，然后直接清理掉邊界以外的內(nèi)存。

標(biāo)記-整理算法

4.分代收集算法
一般是把Java堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據(jù)各個(gè)年代的特點(diǎn)采用最適當(dāng)?shù)氖占惴āＴ谛律校看卫占瘯r(shí)都發(fā)現(xiàn)有大批對(duì)象死去，只有少量存活，那就選用復(fù)制算法。在老年代中，因?yàn)閷?duì)象存活率高、沒有額外空間對(duì)它進(jìn)行分配擔(dān)保，就必須采用“標(biāo)記-清除”或“標(biāo)記-整理”算法來進(jìn)行回收。JVM把年輕代分為了三部分：1個(gè)Eden區(qū)和2個(gè)Survivor區(qū)（分別叫from和to），默認(rèn)比例為8：1。
工作過程：一般情況下，新創(chuàng)建的對(duì)象都會(huì)被分配到Eden區(qū)(一些大對(duì)象特殊處理)，這些對(duì)象經(jīng)過第一次GC后，如果仍然存活，將會(huì)被移到Survivor區(qū)。對(duì)象在Survivor區(qū)中每熬過一次GC，年齡就會(huì)增加1歲，當(dāng)它的年齡增加到一定程度時(shí)，就會(huì)被移動(dòng)到年老代中。 因?yàn)槟贻p代中的對(duì)象基本都是朝生夕死的(80%以上)，所以在年輕代的垃圾回收算法使用的是復(fù)制算法，復(fù)制算法不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。在GC開始的時(shí)候，對(duì)象只會(huì)存在于Eden區(qū)和名為“From”的Survivor區(qū)，Survivor區(qū)“To”是空的。緊接著進(jìn)行GC，Eden區(qū)中所有存活的對(duì)象都會(huì)被復(fù)制到“To”，而在“From”區(qū)中，仍存活的對(duì)象會(huì)根據(jù)他們的年齡值來決定去向。年齡達(dá)到一定值(年齡閾值，可以通過-XX:MaxTenuringThreshold來設(shè)置)的對(duì)象會(huì)被移動(dòng)到年老代中，沒有達(dá)到閾值的對(duì)象會(huì)被復(fù)制到“To”區(qū)域。經(jīng)過這次GC后，Eden區(qū)和From區(qū)已經(jīng)被清空。這個(gè)時(shí)候，“From”和“To”會(huì)交換他們的角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎樣，都會(huì)保證名為To的Survivor區(qū)域是空的。GC會(huì)一直重復(fù)這樣的過程，直到“To”區(qū)被填滿，“To”區(qū)被填滿之后，會(huì)將所有對(duì)象移動(dòng)到年老代中。

空間分配擔(dān)保

先了解下Minor GC與Major GC/Full GC

• Minor GC
  即新生代GC，指發(fā)生在新生代的垃圾收集動(dòng)作，Minor GC的回收的對(duì)象大多具備朝生夕滅的特性，所以Minor GC是非常頻繁，并且回收速度比較快。
• Major GC/Full GC
  即老年代GC，指發(fā)生在老年代的垃圾收集動(dòng)作，出現(xiàn)Major GC，經(jīng)常會(huì)伴隨至少一次的Minor GC。Major GC的速度一般比Minor GC慢10倍以上。

在發(fā)生Minor GC時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)檢測(cè)之前每次晉升到老年代的平均大小是否大于老年代的剩余空間大小，如果大于，則改為直接進(jìn)行一次Full GC，如果小于，則查看HandlePromotionFailure設(shè)置是否允許擔(dān)保失敗，如果允許，那么只會(huì)進(jìn)行Minor GC，如果不允許，那么進(jìn)行一次Full GC。
在分代回收算法中提到過，新生代使用復(fù)制收集算法，但為了內(nèi)存利用率，只使用其中一個(gè)Survivor空間來作為輪換備份，因此當(dāng)出現(xiàn)大量對(duì)象在Minor GC后仍然存活的情況（最極端的情況就是內(nèi)存回收后新生代中所有對(duì)象都存活），就需要老年代進(jìn)行分配擔(dān)保，把Survivor無法容納的對(duì)象直接進(jìn)入老年代。與生活中的貸款擔(dān)保類似，老年代要進(jìn)行這樣的擔(dān)保，前提是老年代本身還有容納這些對(duì)象的剩余空間，一共有多少對(duì)象會(huì)活下來在實(shí)際完成內(nèi)存回收之前是無法明確知道的，所以只好取之前每一次回收晉升到老年代對(duì)象容量的平均大小值作為經(jīng)驗(yàn)值，與老年代的剩余空間進(jìn)行比較，決定是否進(jìn)行Full GC來讓老年代騰出更多空間。

參考

• 深入理解java虛擬機(jī) [第三版]（周志明）
• JVM 垃圾回收器工作原理及使用實(shí)例介紹
• 搞定JVM垃圾回收
• JVM內(nèi)存模型