jvm的5个区和垃圾回收机制

一直对jvm看了又忘，忘了又看的。今天做一个笔记整理存放在这里。

我们先看一下JVM的内存模型图：

上面有5个区，这5个区干嘛用的呢？

我们想象一个场景：

我们有一个class文件，里面有很多的类的定义是不是，类的定义放在什么地方呢？类的定义就放在方法区里面。

程序在运行时会产生很多的对象，比如LinkList等这些对象就存放在堆里面。

一、JAVA栈：

我们的程序在运行时本质上就是启动线程在运行，比如main函数就是一个主线程。一个main主线程可以有很多的子线程。

线程在工作就是执行我们的各种方法。方法里面肯定有我们自己定义了一些局部的变量，比如我们在方法里面new了一个对象，对象肯定是放在堆里面的，但是对堆的引用我们就放在栈里面。那么栈就有问题了，我们一个程序有很多的线程，如果把所有的线程里面的变量存放在一起，肯定有会有变量是重复的，冲突。所有不能放在一起。所以栈里面是分线程来存放的。每一个线程都是自己的栈空间，线程私有的。堆是线程共享的。     

栈里面有一个细节：

就是说一个栈空间是以不同的线程区分开来。每个线程有自己栈，每个线程里面又会执行很多的方法，每一个方法对应一个栈帧：

每个方法执行时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用语存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。从下图从可以看到，每个线程在执行一个方法时，都意味着有一个栈帧在当前线程对应的栈帧中入栈和出栈。

 Java栈也称作虚拟机栈（Java Vitual Machine Stack），也就是我们常常所说的栈，跟C语言的数据段中的栈类似。事实上，Java栈是Java方法执行的内存模型。为什么这么说呢？下面就来解释一下其中的原因。

Java栈中存放的是一个个的栈帧，每个栈帧对应一个被调用的方法，在栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、指向当前方法所属的类的运行时常量池（运行时常量池的概念在方法区部分会谈到）的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(Return Address)和一些额外的附加信息。当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈。因此可知，线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。讲到这里，大家就应该会明白为什么 在 使用 递归方法的时候容易导致栈内存溢出的现象了以及为什么栈区的空间不用程序员去管理了（当然在Java中，程序员基本不用关系到内存分配和释放的事情，因为Java有自己的垃圾回收机制），这部分空间的分配和释放都是由系统自动实施的。对于所有的程序设计语言来说，栈这部分空间对程序员来说是不透明的。下图表示了一个Java栈的模型：

局部变量表，顾名思义，想必不用解释大家应该明白它的作用了吧。就是用来存储方法中的局部变量（包括在方法中声明的非静态变量以及函数形参）。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了，因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。

　　操作数栈，想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生，栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。

　　指向运行时常量池的引用，因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。

　　方法返回地址，当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

　　由于每个线程正在执行的方法可能不同，因此每个线程都会有一个自己的Java栈，互不干扰。

 

 

 

二、本地方法栈（Native Stack）

         本地方法栈（Native Stack）与Java虚拟机站（Java Stack）所发挥的作用非常相似，他们之间的区别在于虚拟机栈为虚拟机栈执行java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为使用到Native方法服务。

 

 三、堆（Heap）

         对于大多数应用来说，Java Heap是Java虚拟机管理的内存的最大一块，这块区域随着虚拟机的启动而创建。在实际的运用中，我们创建的对象和数组就是存放在堆里面。如果你听说线程安全的问题，就会很明确的知道Java Heap是一块共享的区域，操作共享区域的成员就有了锁和同步。在程序的运行中不断地new 对象，就存在堆里面。

         与Java Heap相关的还有Java的垃圾回收机制（GC）,Java Heap是垃圾回收器管理的主要区域。程序猿所熟悉的新生代、老生代、永久代的概念就是在堆里面，现在大多数的GC基本都采用了分代收集算法。如果再细致一点，Java Heap还有Eden空间，From Survivor空间,To Survivor空间等。

         Java Heap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。

上面这张图就是我们新生代，老年代的图。涉及到垃圾回收机制。

 

我们来介绍一下垃圾回收机制：

刚开始时创建的对象都存放在Eden Sapce里面（伊甸园，新生代），大家都无忧无虑的。然后呢 ，垃圾回收机制来了。先对生活在伊甸园的对象检测一次，发现还有利用价值就把对象放在Survivor空间里面的From Space，survivior空间分为两块，一块是From Space，一块是ToSapce空间。ToSpace空间是很少用的（就是用来做垃圾回收的挪动的）。然后垃圾回收机制对From Space的对象回收比如18次，还能幸存下来，就放在老年代里面（Old Generation）。我们很奇怪，这里的ToSpace是干嘛用的。

好了我们来介绍下垃圾回收算法：

有 两种算法。

1：对象A有没有引用对象B.有引用就不是垃圾，这种方法有问题。A，B相互引用，就不能区分出是不是垃圾了。

2：根节点搜索。从根节点往下搜索。能搜索到了就不是垃圾，不能搜索到的，就是垃圾。

这是由映射表记录的，再详细就不知道了。

对象其实就是一个方格：

如上，红色是好的对象，黑色的是垃圾对象。

我们怎么去回收黑色的对象呢：

方法一：标志-清除：

直接把黑色的对象清除掉。

但是有一个问题：这样清除掉的恶化，我的空间变得很零散。下次要放一个大的对象的话（必须是一个连续的空间）比如四个格子，就放不下去了。

 

方法二：标记整理：

 我只移动有用的：把红色的有用的对象移动到白色的空白地方。但是造成的问题是：对在运行的程序有影响。

 

方法三：

复制算法：

预先存留一块有用的的空间：那就是上文提到的ToSpace空间。

在FromSpace空间中，垃圾回收机制把没用的的对象标记成黑色的，然后把红色的有用的对象都转移到右边的ToSpace空间，等到垃圾回收机制把左边的黑色和红色全部清除之后。再把右边的ToSpace的那些红色有用对象再移植到左边的FromSpace空间。这样就整齐了。

然后我们会想一个问题。那右边给他预留这么大的空间不是很浪费吗？其实实际上右边的空间不需要那么大，只要一点点就够了。如下图

因为我们的有用的对象（红色的方块）其实是很少的。很多对象用好一次就不用了的。

 

  四、方法区（Method Area）

         方法区（Method Area）与堆（Java Heap）一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储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。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是她却有一个别名叫做非堆（Non-Heap）。分析下Java虚拟机规范，之所以把方法区描述为堆的一个逻辑部分，应该觉得她们都是存储数据的角度出发的。一个存储对象数据（堆），一个存储静态信息(方法区)。

         在上文中，我们看到堆中有新生代、老生代、永久代的描述。为什么我们将新生代、老生代、永久代三个概念一起说，那是因为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。这样HotSpot的垃圾收集器就能想管理Java堆一样管理这部分内存。简单点说就是HotSpot虚拟机中内存模型的分代，其中新生代和老生代在堆中，永久代使用方法区实现。根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并逐步采用Native Memory来实现方法区的规划，在JDK1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。

 

五、程序计数器（Program Counter Register）:

　　程序计数器也有称作为PC寄存器。想必学过汇编语言的朋友对程序计数器这个概念并不陌生，在汇编语言中，程序计数器是指CPU中的寄存器，它保存的是程序当前执行的指令的地址（也可以说保存下一条指令的所在存储单元的地址），当CPU需要执行指令时，需要从程序计数器中得到当前需要执行的指令所在存储单元的地址，然后根据得到的地址获取到指令，在得到指令之后，程序计数器便自动加1或者根据转移指针得到下一条指令的地址，如此循环，直至执行完所有的指令。

虽然JVM中的程序计数器并不像汇编语言中的程序计数器一样是物理概念上的CPU寄存器，但是JVM中的程序计数器的功能跟汇编语言中的程序计数器的功能在逻辑上是等同的，也就是说是用来指示 执行哪条指令的。

　　由于在JVM中，多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，因此，在任一具体时刻，一个CPU的内核只会执行一条线程中的指令，因此，为了能够使得每个线程都在线程切换后能够恢复在切换之前的程序执行位置，每个线程都需要有自己独立的程序计数器，并且不能互相被干扰，否则就会影响到程序的正常执行次序。因此，可以这么说，程序计数器是每个线程所私有的。

在JVM规范中规定，如果线程执行的是非native方法，则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的地址；如果线程执行的是native方法（native方法就是非java语言的程序，java如果要跟底层建立关系，虚拟机内一些部分用c语言来写，这样就能让java与底层建立关系。详见：https://blog.csdn.net/wike163/article/details/6635321），则程序计数器中的值是undefined。

由于程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变，因此，对于程序计数器是不会发生内存溢出现象(OutOfMemory)的。

参考：https://www.cnblogs.com/shenxiaoquan/p/6262066.html 

Native方法介绍参考：https://blog.csdn.net/wike163/article/details/6635321