一 前言
對于從事C、C++程序開發(fā)的開發(fā)人員來說揪荣，在內(nèi)存管理領(lǐng)域，他們既是擁有最高權(quán)力的“皇帝”又是從事最基礎(chǔ)工作的“勞動人民”——既擁有每一個對象的“所有權(quán)”，又擔(dān)負著每一個對象生命開始到終結(jié)的維護責(zé)任铅檩。
對于Java程序員來說，在虛擬機自動內(nèi)存管理機制的幫助下莽鸿，不再需要為每一個new操作去寫配對的delete/free代碼昧旨，不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出問題，由虛擬機管理內(nèi)存這一切看起來都很美好祥得。不過兔沃，也正是因為Java程序員把內(nèi)存控制的權(quán)力交給了Java虛擬機，一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和溢出方面的問題级及，如果不了解虛擬機是怎樣使用內(nèi)存的乒疏，那么排查錯誤將會成為一項異常艱難的工作。
本篇將從概念上介紹Java虛擬機內(nèi)存的各個區(qū)域饮焦，講解這些區(qū)域的作用怕吴、服務(wù)對象以及其中可能產(chǎn)生的問題窍侧，然后介紹Java中GC機制。
二 運行時數(shù)據(jù)區(qū)域
Java虛擬機在執(zhí)行Java程序的過程中會把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域转绷。這些區(qū)域都有各自的用途伟件，以及創(chuàng)建和銷毀的時間，有的區(qū)域隨著虛擬機進程的啟動而存在议经，有些區(qū)域則依賴用戶線程的啟動和結(jié)束而建立和銷毀斧账。Java虛擬機所管理的內(nèi)存將會包括以下幾個運行時數(shù)據(jù)區(qū)域，如圖所示
2.1 程序計數(shù)器（Program Counter Register）
是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器煞肾。分支咧织、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)扯旷、異常處理拯爽、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。該區(qū)域是整個內(nèi)存中較小的一塊钧忽。
當(dāng)前線程私有的毯炮，每個線程都有自己計數(shù)器，從而線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置耸黑。
如果線程正在執(zhí)行的是一個Java方法桃煎，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Native方法大刊，這個計數(shù)器值則為空（Undefined）为迈。
此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在Java虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。
2.2 Java虛擬機棧(JVM Stack)
- 線程私有缺菌，生命周期與線程相同葫辐；
- 是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，方法在執(zhí)行的時候會創(chuàng)建一個棧幀存儲方法的局部變量表(基本類型伴郁、對象引用)耿战、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接焊傅、方法出口等信息剂陡。
- 每一個方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程狐胎；
- 當(dāng)線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度鸭栖，則StackOverflowError異常；
- 如果棧的擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存握巢，則OutOfMemoryError異常晕鹊。
2.3 本地方法棧(Native Method Stack)
- 線程私有，生命周期與線程相同；
- 本地方法棧作用與虛擬機棧非常相似的捏题，區(qū)別是虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行Java方法服務(wù)玻褪，而本地方法棧則為虛擬機使用到的Native方法服務(wù)；
- 也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError公荧。
2.4 Java堆(Java Heap)
- 被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域带射，在虛擬機啟動時創(chuàng)建，用于存放對象實例循狰；
- Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域窟社；
- 可以通過-Xmx和-Xms控制堆的大小绪钥；
- 如果在堆中沒有內(nèi)存完成實例分配灿里，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常程腹。
Java堆中還可以細分為：新生代和老年代匣吊；再細致一點的有Eden空間、From Survivor空間寸潦、To Survivor空間等色鸳，Java堆中的上述各個區(qū)域的分配、回收等細節(jié)下節(jié)再介紹见转。
2.5 方法區(qū)(Method Area)
- 線程共享
- 用于存儲已被虛擬機加載的類信息命雀、常量、靜態(tài)變量斩箫、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)吏砂。
- 這個區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要針對常量池的回收和對類型的卸載。
- 方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時乘客，將拋出OutOfMemoryError異常狐血。
2.6 運行時常量池(Runtime Constant Pool)
- 是方法區(qū)的一部分，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用易核。
- 當(dāng)常量池?zé)o法再申請到內(nèi)存時氛雪，則拋出OutOfMemoryError異常。
三 GC機制
上節(jié)介紹了Java內(nèi)存運行時區(qū)域的各個部分耸成，其中程序計數(shù)器、虛擬機棧浴鸿、本地方法棧3個區(qū)域隨線程而生井氢，隨線程而滅；而Java堆和方法區(qū)則不一樣岳链，我們只有在程序處于運行期間時才能知道會創(chuàng)建哪些對象花竞，這部分內(nèi)存的分配和回收都是動態(tài)的，垃圾收集器所關(guān)注的是這部分內(nèi)存。后面討論的GC機制也是針對Java堆和方法區(qū)這一部分內(nèi)存區(qū)域约急。
3.1 內(nèi)存中的哪些對象可以回收零远？
3.1.1 堆內(nèi)存
在堆里面存放著Java世界中幾乎所有的對象實例，垃圾收集器在對堆進行回收前厌蔽，要確定這些對象之中哪些還“存活”著牵辣，哪些已經(jīng)“死去”。
（1）引用計數(shù)算法
就是給每個對象加一個計數(shù)器奴饮，如果有一個地方引用就加1纬向，當(dāng)引用失效就減1；當(dāng)計數(shù)器為0戴卜，則認(rèn)為對象是無用的逾条。這種算法實現(xiàn)簡單，判定效率也很高投剥，但缺點在于很難解決對象之間相互循環(huán)引用的問題师脂。
（2）可達性分析算法
基本思路就是通過一系列的稱為“GC Roots”的對象作為起始點，從這些節(jié)點開始向下搜索江锨，搜索所走過的路徑稱為引用鏈（Reference Chain）吃警，當(dāng)一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連（用圖論的話來說，就是從GC Roots到這個對象不可達）時泳桦，則證明此對象是不可用的汤徽。
obj8、obj9灸撰、obj10都沒有到GCRoots對象的引用鏈谒府，即便obj9和obj10之間有引用鏈，但是它們到GC Roots是不可達的浮毯，所以它們將會被判定為是可回收的對象完疫。
在Java語言中，可作為GC Roots的對象包括下面幾種：
- 虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象债蓝。
- 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象壳鹤。
- 方法區(qū)中常量引用的對象。
- 本地方法棧中JNI（即一般說的Native方法）引用的對象饰迹。
判定對象是否存活都與“引用”有關(guān)芳誓，Java引用分為強引用、軟引用啊鸭、弱引用锹淌、虛引用4種，這4種引用強度依次逐漸減弱赠制。
- 強引用:類似Object obj=new Object()這類的引用赂摆，只要強引用還存在，垃圾收集器永遠不會回收掉被引用的對象。
- 軟引用:描述一些還有用但并非必需的對象烟号，在系統(tǒng)將要發(fā)生內(nèi)存溢出異常之前绊谭，將會把這些對象列進回收范圍之中進行第二次回收。如果這次回收還沒有足夠的內(nèi)存汪拥，才會拋出內(nèi)存溢出異常达传。提供了SoftReference類來實現(xiàn)軟引用。
- 弱引用:也是用來描述非必需對象的喷楣，但是它的強度比軟引用更弱一些趟大，被弱引用關(guān)聯(lián)的對象只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生之前。當(dāng)垃圾收集器工作時铣焊，無論當(dāng)前內(nèi)存是否足夠逊朽，都會回收掉只被弱引用關(guān)聯(lián)的對象。提供了WeakReference類來實現(xiàn)弱引用曲伊。
- 虛引用:也稱為幽靈引用或者幻影引用叽讳，它是最弱的一種引用關(guān)系。一個對象是否有虛引用的存在坟募，完全不會對其生存時間構(gòu)成影響岛蚤，也無法通過虛引用來取得一個對象實例。為一個對象設(shè)置虛引用關(guān)聯(lián)的唯一目的就是能在這個對象被收集器回收時收到一個系統(tǒng)通知懈糯。提供了PhantomReference類來實現(xiàn)虛引用涤妒。
3.1.2 方法區(qū)
主要有兩部分：廢棄的常量和無用的類。
廢棄的常量判斷方法和堆中的對象類似赚哗，只要判斷沒有地方引用就可以回收她紫。相比之下，判斷一個類是否無用屿储，條件就比較苛刻贿讹，需要同事滿足下面3個條件才能算是“無用的類”：
- 該類的所有實例都已經(jīng)被回收，也就是java堆中不存在該類的任何實例够掠；
- 加載該類的ClassLoader已經(jīng)被回收民褂；
- 該類對應(yīng)的java.lang.Class對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的方法疯潭。
虛擬機可以對于滿足上面三個條件的無用類進行回收赊堪，僅僅是可以回收，具體能否回收竖哩，JVM提供了-Xnoclassgc參數(shù)進行控制雹食。
3.2 垃圾收集算法
GC有多種算法，不同的算法實現(xiàn)了不同的垃圾回收器期丰。
3.2.1 標(biāo)記-清除算法
算法分為“標(biāo)記”和“清除”兩個階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對象。
特點：
1.是效率問題钝荡，標(biāo)記和清除兩個過程的效率都不高街立；
2.是空間問題，標(biāo)記清除之后會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片埠通，空間碎片太多可能會導(dǎo)致以后在程序運行過程中需要分配較大對象時赎离，無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集動作。
3.2.2 復(fù)制算法
復(fù)制算法將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊端辱，每次只使用其中的一塊梁剔。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活著的對象復(fù)制到另外一塊上面舞蔽，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉荣病。
特點：1.每次都是對整個半?yún)^(qū)進行內(nèi)存回收，內(nèi)存分配時也就不用考慮內(nèi)存碎片等復(fù)雜情況渗柿，2.只要移動堆頂指針个盆，按順序分配內(nèi)存即可，3.實現(xiàn)簡單朵栖，運行高效颊亮。
3.2.3 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)步驟不是直接對可回收對象進行清理陨溅，而是讓所有存活的對象都向一端移動终惑，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存。
特點：不會產(chǎn)生空間碎片门扇。
3.2.4 分代收集算法
分代收集算法根據(jù)對象存活周期的不同將內(nèi)存劃為幾塊雹有，一般把java堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據(jù)各個年代的特點采用最合適的收集算法悯嗓。在新生代中件舵，每次垃圾回收時都發(fā)現(xiàn)大批對象死去，只有少量存活脯厨，那就選用復(fù)制算法铅祸，付出少量復(fù)制成本就可以完成收集。而老年代中對象存活率較高且沒有空間進行擔(dān)保（后面講新生代的擔(dān)保分配）合武，就必須使用“標(biāo)記-清除”或者“標(biāo)記-整理”算法临梗。
3.3 分代垃圾回收
3.3.1 Young（年輕代）復(fù)制算法
年輕代分三個區(qū)。一個Eden區(qū)稼跳，兩個Survivor區(qū)盟庞。大部分對象在Eden區(qū)中生成。當(dāng)Eden區(qū)滿時汤善，還存活的對象將被復(fù)制到Survivor區(qū)（兩個中的一個）什猖，當(dāng)這個Survivor區(qū)滿時票彪，此區(qū)的存活對象將被復(fù)制到另外一個Survivor區(qū)，當(dāng)這個Survivor去也滿了的時候不狮，從第一個Survivor區(qū)復(fù)制過來的并且此時還存活的對象降铸，將被復(fù)制“年老區(qū)(Tenured)”。需要注意摇零，Survivor的兩個區(qū)是對稱的推掸，沒先后關(guān)系，所以同一個區(qū)中可能同時存在從Eden復(fù)制過來 對象驻仅，和從前一個Survivor復(fù)制過來的對象谅畅，而復(fù)制到年老區(qū)的只有從第一個Survivor去過來的對象。而且噪服，Survivor區(qū)總有一個是空的毡泻。
3.3.2Tenured（年老代）標(biāo)記清除|標(biāo)記整理
年老代存放從年輕代存活的對象。一般來說年老代存放的都是生命期較長的對象芯咧。
3.3.3 Perm（持久代）很難發(fā)生GC
用于存放靜態(tài)文件牙捉，如今Java類、方法等敬飒。持久代對垃圾回收沒有顯著影響邪铲，但是有些應(yīng)用可能動態(tài)生成或者調(diào)用一些class，例如Hibernate等无拗，在這種時候需要設(shè)置一個比較大的持久代空間來存放這些運行過程中新增的類带到。持久代大小通過-XX:MaxPermSize=進行設(shè)置。
