Java虚拟机内存管理机制

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自动内存管理机制

    Java虚拟机（JVM）在执行Java程序过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有的区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范 第2版》规定，运行时数据区包括：

1、程序计数器

     一块较小的内存空间，不在Ram上，而是直接划分在CPU上的，程序员无法直接操作它。当前线程所执行的字节码的行号指示器，通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。每条线程都有一个独立的程序计数器，属于线程私有的内存。该区域是唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError（内存溢出）情况的区域。

2、Java虚拟机栈

     描述Java方法执行的内存模型，每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。生命周期与线程相同，也属于线程私有的内存。

     根据规范该区域存在两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常，如果虚拟机栈进行动态扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError（内存溢出）异常。

3、本地方法栈

   为虚拟机使用的native方法服务。Java类的祖先类Object中有众多Native方法，如hashCode()、wait()等，他们的执行很多时候是借助于操作系统，但是JVM需要对他们做一些规范，来处理他们的执行过程。有的虚拟机（如：Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。属于线程私有的内存。

4、堆

   被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。几乎所有的对象实例以及数组都要在堆上分配内存。Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。 Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，也被称为“GC堆”，在32位系统上最大为2G，64位系统上无限制。可通过-Xms和-Xmx控制。Java性能的优化，主要就是针对这部分内存的。

   如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再进行扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

   由于现在垃圾收集器基本采用分代收集算法，所以Java堆细分为：年轻代（Eden区、From Survivor区、To Survivor区） 和 年老代。Java堆上还可能划分出线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）

• 年轻代（New）：年轻代用来存放JVM刚分配的Java对象
• 年老代（Tenured)：年轻代中经过垃圾回收没有回收掉的对象将被Copy到年老代
• Eden：Eden用来存放JVM刚分配的对象
• Survivor：两个Survivor空间一样大，当Eden中的对象经过垃圾回收没有被回收掉时（对象仍然存活），会在两个Survivor之间来回Copy，当满足某个条件，比如Copy次数，就会被Copy到年老代。显然，Survivor只是增加了对象在年轻代中的逗留时间，增加了被垃圾回收的可能性。

5、方法区（非堆、”永久代“）

     线程共享的内存区域，存储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。垃圾收集器在这个区域是比较少出现的，这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。可通过-XX:PermSize -XX:MaxPermSize 等参数调整其大小。

     当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

    方法区的一部分，class文件的常量池用于存放编译期生成的各种字面值和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。当常量池无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

6、直接内存

      在JDK1.4中新加入类NIO类，引入了一种基于通道与缓冲区的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，即我们所说的直接内存，这样在某些场景中会提高程序的性能。直接内存不是虚拟机运行时数据区的一部分（当然也不会受到Java堆大小的限制），也不是规范规定的，但这部分内存会被频繁使用，也可能抛出OutOfMemoryError异常。

垃圾收集（GC）

Java语言对程序员做了一个美好的承诺：程序员无需去管理内存，因为JVM有垃圾回收（GC），会去自动进行垃圾回收。其实不然：

• 垃圾回收并不会按照程序员的要求，随时进行GC。
• 垃圾回收并不会及时的清理内存，尽管有时程序需要额外的内存。
• 程序员不能对垃圾回收进行控制。

     因为上面这些事实，以致我们在写程序的时候，只能根据垃圾回收的规律，合理安排内存，这就要求我们必须彻底了解JVM的内存管理机制，这样才能随心所欲，将程序控制于鼓掌之中。

GC需要完成的三件事：

• 哪些内存需要回收？
• 什么时候回收？
• 如何回收？(垃圾收集算法)

1、哪些内存需要回收？

    在上面介绍的五大区中，有三个是不需要进行垃圾回收的：程序计数器、JVM栈、本地方法栈。因为它们的生命周期是和线程同步的，随着线程的销毁，它们占用的内存会自动释放，所以只有方法区和堆需要进行GC。

    GC应该回收这样一些对象，这些对象没有任何引用指向（即对象已死）。 Java使用根搜索算法判断对象是否存活。基本思路是：通过一系列的名为“GC Roots”的对象作为起始点，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的。

    Java语言里，可作为GC Roots的对象包括下面几种：

• 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中的引用的对象。
• 方法区中的类静态属性引用的对象。
• 方法区中的常量引用的对象。
• 本地方法栈中JNI（Native方法）的引用的对象。

四种引用的GC特点

JDK1.2之后，对引用进行了扩充，引入了强、软、若、虚四种引用，被标记为这四种引用的对象，在GC时分别有不同的意义：

• 强引用(Strong Reference)---就是为刚被new出来的对象所加的引用，它的特点就是，永远不会被回收。
• 软引用(Soft Reference)---声明为软引用的类，是可被回收的对象，如果JVM内存并不紧张，这类对象可以不被回收，如果内存紧张，则会被回收。此处有一个问题，既然被引用为软引用的对象可以回收，为什么不去回收呢？其实我们知道，Java中是存在缓存机制的，就拿字面量缓存来说，有些时候，缓存的对象就是当前可有可无的，只是留在内存中如果还有需要，则不需要重新分配内存即可使用，因此，这些对象即可被引用为软引用，方便使用，提高程序性能。
• 弱引用(Weak Reference)---弱引用的对象就是一定需要进行垃圾回收的，不管内存是否紧张，当进行GC时，标记为弱引用的对象一定会被清理回收。
• 虚引用(Phantom Reference)---虚引用弱的可以忽略不计，JVM完全不会在乎虚引用，其唯一作用就是做一些跟踪记录，辅助finalize函数的使用。

2、什么时候回收？

• 当年轻代内存满时，会引发一次普通GC（Minor GC），该GC仅回收年轻代。需要强调的时，年轻代满是指Eden代满，Survivor满不会引发GC
• 当年老代满时会引发Full GC，Full GC将会同时回收年轻代、年老代
• 当永久代满时也会引发Full GC，会导致Class、Method元信息的卸载

两种GC的区别：

何时会抛出OutOfMemoryException？

    并不是内存被耗空的时候才抛出，满足如下两个条件将触发OutOfMemoryException：

• JVM98%的时间都花费在内存回收
• 每次回收的内存小于2%

3、如何回收？（垃圾收集算法）

常见的GC算法：

1）标记-清除算法（Mark-Sweep）

    最基础的GC算法，将需要进行回收的对象做标记，之后扫描，有标记的进行回收，这样就产生两个步骤：标记和清除。这个算法效率不高，而且在清理完成后会产生内存碎片，这样，如果有大对象需要连续的内存空间时，还需要进行碎片整理，所以，此算法需要改进。

2）复制算法（Copying）

    前面我们谈过，新生代内存分为了三份，Eden区和2块Survivor区，一般Sun的JVM会将Eden区和Survivor区的比例调为8:1，保证有一块Survivor区是空闲的，这样，在垃圾回收的时候，将不需要进行回收的对象放在空闲的Survivor区，然后将Eden区和第一块Survivor区进行完全清理，这样有一个问题，就是如果第二块Survivor区的空间不够大怎么办？这个时候，就需要当Survivor区不够用的时候，暂时借持久代的内存用一下。此算法适用于新生代。

3）标记-整理（或叫压缩）算法（Mark-Compact）

    和标记-清楚算法前半段一样，只是在标记了不需要进行回收的对象后，将标记过的对象移动到一起，使得内存连续，这样，只要将标记边界以外的内存清理就行了。此算法适用于持久代。

4）分代收集算法

    根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

常见的垃圾收集器：

Java堆内存分配策略

对象优先在Eden区分配

大对象直接进入年老代

长期存活的对象将进入年老代

动态对象年龄判断

空间分配担保

---Java和C++之间有一堵有内存分配和垃圾回收技术围成的墙，墙外的人想进去，墙里的人想出去！

    C、C++程序员有时苦于内存泄露，内存管理是件令人头痛的事儿，但是Java程序员呢，又羡慕C++程序员，自己可以控制一切，这样就不会在内存管理方面显得束手无策。

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