JVM-GC机制与内存区域分配

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1.1何为“垃圾”？就是指所有不再存活的对象。常见的判断是否存活有两种方法：引用计数法和可达性分析！
引用计数法：为每一个创建的对象分配一个引用计数器，用来存储该对象被引用的个数。当该个数为零，意味着没有人再使用这个对象，可以认为“对象死亡”。（问题：无法检测“循环引用”），因此java里没有采用这样的方案来判定对象的“存活性”。
可达性分析：思路是把所有引用的对象想象成一棵树，从树的根节点（GC Roots）出发，持续遍历找出所有连接的树枝对象，这些对象被称为“可达”对象（存活对象），其余就被视为“死亡”的不可达对象（即垃圾）。
GC Roots：本身是可达的，一般java里哪些对象一定可达呢？
*虚拟机栈中的引用的对象
*方法区中静态属性引用的对象
*方法区中常量引用的对象
*本地方法栈中JNI引用对象

1.2 如何回收垃圾？
*标记-清理（简单方便，但是容易产生内存碎片）：第一步：标记就是利用可达性遍历堆内存，把存活对象和垃圾对象进行标记；第二步：垃圾已经被标记，再遍历一遍，把所有垃圾对象所占的空间直接清空即可。
*标记-整理：上面方法会产生内存碎片，那就在清理的时候，把所有存活对象扎堆到同一个地方，这个适合存活对象多垃圾少的情况。
*复制：直接把堆内存分成两部分，一段时间只允许在其中一块内存上进行分配，当这款内存分配完后，则执行垃圾回收，把所有存活对象全部复制到另外一块上，当前内存则全部清空。（适用于存活少，垃圾多的情况）
1.3.java垃圾回收概况：
在java虚拟机中，存在自动内存管理和垃圾清扫机制。概括的说，该机制对JVM中的内存进行标记，并确定哪些需要回收，根据一定的回收策略，自动回收内存，永不停息的保证JVM的内存空间，防止出现内存泄漏和溢出问题。
GC机制主要完成三件事：确定哪些内存需要回收，确定什么时候需要执行GC，如何执行GC。
目的：排查各种内存溢出或泄露问题，解决性能瓶颈，达到更高的并发量，写出更高的程序。
从四个方面学习GC机制：1.内存是如何分配的。2、如何保证内存不被错误回收。3、在什么情况下执行GC以及执行GC的方式。4、如何监控优化GC机制。
在Java运行时的数据区里，由JVM管理的内存区域分为下图几个模块：

图片.png

其中①、程序计数器：是一个比较小的内存区域，用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取吓一跳语句指令。每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以他是线程私有的（一个线程就一个程序计数器）。
如果执行的是java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址，由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。
②、虚拟机栈：一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈zhen，栈帧中存储的有局部变量表、操作站、动态链接、方法出口等，当方法被调用时，栈帧在JVM中入栈，当方法执行完，栈帧出栈。
局部变量表综存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。在局部变量中，只有long和double类型会占用两个局部变量空间（Slot，对于32位机器，一个Slot就是32个bit），其它都是1个Slot。注意：局部变量表示在编译时就已经确定好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。虚拟机栈中定义了两种异常，如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError（栈溢出）；不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足，此时，会抛出OutOfMemoryError（内存溢出）。

每个线程对应着一个虚拟机栈，因此虚拟机栈也是线程私有的。
③、本地方法栈：本地方法栈在作用，运行机制，异常类型等方面都与虚拟机栈相同，唯一的区别是：虚拟机栈实质性java方法的，而本地方法栈是用来执行native方法的，在很多虚拟机中，会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。
本地方法栈也是线程私有的。
④、堆（Heap）：堆区是理解java GC机制最重要的区域，没有之一。在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块，堆区也是java GC机制所管理的主要区域，堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区的存在是为了存储对象实例，原则上讲，所有的对象都是在堆上分配内存（不过现在技术里，也不是那么绝对，也有栈上直接分配的）。
一般的，根据java虚拟机规定范围，堆内存需要在逻辑上是连续的（在物理上不需要），在实现时，可以是固定大小的，也可以是可扩展的，目前主流的额虚拟机都是可扩展的。如果在执行垃圾回收之后，仍没有足够的内存分配，也不能再扩展，将会抛出OutOfMemoryError：Java heap space异常。
关于堆区的内容还有很多，将在下节“Java内存分配机制”中详细介绍。
⑤、方法区：在java虚拟机中，将方法区作为一个堆的逻辑部分来对待，但事实上，方法去并不是堆；另外，Java GC的分代收集机制分为3个代：青年代，老年代，永久代，这些作者将方法区定义为“永久代”，这是因为，对于之前的HotSpot Java虚拟机的实现方式中，将分代收集的思想扩展到了方法区，并将方法区设计成了永久代。不过，除HotSpot之外的多数虚拟机，并不将方法区当做永久代，HotSpot本身，也计划取消永久代。本文中，由于笔者主要使用Oracle JDK6.0，因此仍将使用永久代一词。
方法区是各个线程共享的区域，用于存储已经被虚拟机加载的类信息（即加载类时需要加载的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、静态变量、编译器即时编译的代码等。

方法区在物理上也不需要是连续的，可以选择固定大小或可扩展大小，并且方法区比堆还多了一个限制：可以选择是否执行垃圾收集。一般的，方法区上执行的垃圾收集是很少的，这也是方法区被称为永久代的原因之一（HotSpot），但这也不代表着在方法区上完全没有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是针对常量池的内存回收和对已加载类的卸载。

在方法区上进行垃圾收集，条件苛刻而且相当困难，效果也不令人满意，所以一般不做太多考虑，可以留作以后进一步深入研究时使用。

在方法区上定义了OutOfMemoryError:PermGen space异常，在内存不足时抛出。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存储编译期就生成的字面常量、符号引用、翻译出来的直接引用（符号引用就是编码是用字符串表示某个变量、接口的位置，直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址，将在类链接阶段完成翻译）；运行时常量池除了存储编译期常量外，也可以存储在运行时间产生的常量（比如String类的intern()方法，作用是String维护了一个常量池，如果调用的字符“abc”已经在常量池中，则返回池中的字符串地址，否则，新建一个常量加入池中，并返回地址）。
⑥直接内存：直接内存并不是JVM管理的内存，可以这样理解，直接内存，就是JVM以外的机器内存，比如，你有4G的内存，JVM占用了1G，则其余的3G就是直接内存，JDK中有一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的内存分配方式，将由C语言实现的native函数库分配在直接内存中，用存储在JVM堆中的DirectByteBuffer来引用。由于直接内存收到本机器内存的限制，所以也可能出现OutOfMemoryError的异常。

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Java对象的访问方式：一般来说一个java的引用访问涉及到3个内存区域：JVM栈，堆，方法区。
最简单的本地变量引用：Object obj = new Object()
obj表示一个本地引用，存储在JVM栈的本地变量中，表示一个reference类型数据；
new Object()作为实例对象数据存储在堆中；
堆中还记录了Object类的类型信息（接口，方法，field，对象类型等）地址，这些地址所执行的数据存储在方法区中；在java虚拟机规范中，对于通过reference类型引用访问具体对象的方式没有规定，目前直流的实现方式有两种：1.通过句柄访问（这种实现方法由于用句柄表示地址，因此十分稳定。）；2.通过直接指针访问（这种方法最大的优势是速度快，在HotSpot虚拟机中用的就是这种方式。）。

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垃圾收集器（GC机制中，起重要作用的是垃圾收集器，垃圾收集器是GC的具体实现）
1.Serial收集器
2.ParNew收集器
3.Parallel Scavenge 收集器
4.Serial Old收集器
5.Parallel Old收集器
6.CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器