Java虚拟机

一、运行时数据区域

程序计数器

记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址（如果正在执行的是本地方法则为空）。

虚拟机栈

每个Java方法在执行的同时会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应这一个栈帧在Java虚拟机栈中入栈和出栈的过程。

可以通过-Xss这个虚拟机参数来指定一个程序的Java虚拟机栈内存大小：

java -Xss=512M HackTheJava

该区域可能抛出以下异常：

• 当线程请求的栈深度超过最大值，会抛出 StackOverflowError 异常；
• 栈进行动态扩展时如果无法申请到足够内存，会抛出 OutOfMemoryError 异常。

本地方法栈

本地方法不是用java实现，对待这些方法需要特别处理。

与Java虚拟机栈类似，它们之间的区别只不过是本地方法栈为本地方法服务。

堆

所有对象实例都在这里分配内存。

是垃圾收集的主要区域（"GC 堆"）。现代的垃圾收集器基本都是采用分代收集算法，主要思想是针对不同的对象采取不同的垃圾回收算法。虚拟机把 Java 堆分成以下三块：

• 新生代（Young Generation）
• 老年代（Old Generation）
• 永久代（Permanent Generation）

当一个对象被创建时，它首先进入新生代，之后有可能被转移到老年代中。

新生代存放着大量的生命很短的对象，因此新生代在三个区域中垃圾回收的频率最高。为了更高效地进行垃圾回收，把新生代继续划分成以下三个空间：

• Eden（伊甸园）
• From Survivor（幸存者）
• To Survivor

Java 堆不需要连续内存，并且可以动态增加其内存，增加失败会抛出 OutOfMemoryError 异常。

可以通过 -Xms 和 -Xmx 两个虚拟机参数来指定一个程序的 Java 堆内存大小，第一个参数设置初始值，第二个参数设置最大值。

java -Xms=1M -Xmx=2M HackTheJava

方法区

用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

和Java堆一样不需要连续的内存，并且可以动态拓展，动态扩展失败一样会抛出 OutOfMemoryError 异常。
对这块区域进行垃圾回收的主要目标是对常量池的回收和对类的卸载，但是一般比较难实现。
JDK 1.7 之前，HotSpot 虚拟机把它当成永久代来进行垃圾回收，JDK 1.8 之后，取消了永久代，用 metaspace（元数据）区替代。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。

Class文件中的常量池（编译器生成的各种字面量和符号引用）会在类加载后被放入这个区域。

除了在编译期生成的常量，还允许动态生成，例如String类的intern()。

直接内存

在JDK1.4中新加入了NIO类，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

二、垃圾收集

程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈这三个区域属于线程私有的，只存在于线程的生命周期内，线程结束之后也会消失，因此不需要对这三个区域进行垃圾回收。垃圾回收主要是针对Java堆和方法区进行。

判断一个对象是否存活

1.引用计数算法

给对象添加一个引用计数器，当对象增加一个引用时计数器加 1，引用失效时计数器减 1。引用计数不为 0 的对象仍然存活。

两个对象出现循环引用的情况下，此时引用计数器永远不为 0，导致无法对它们进行回收。

public class ReferenceCountingGC {
    public Object instance = null;

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGC objectA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objectB = new ReferenceCountingGC();
        objectA.instance = objectB;
        objectB.instance = objectA;
    }
}

正因为循环引用的存在，因此 Java 虚拟机不使用引用计数算法。

2.可达性分析算法

通过 GC Roots 作为起始点进行搜索，能够到达到的对象都是存活的，不可达的对象可被回收。

Java 虚拟机使用该算法来判断对象是否可被回收，在 Java 中 GC Roots 一般包含以下内容：

• 虚拟机栈中引用的对象
• 本地方法栈中引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中的常量引用的对象

3.引用类型

无论是通过引用计算算法判断对象的引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象是否可达，判定对象是否可被回收都与引用有关。

Java 具有四种强度不同的引用类型。

（一）强引用

被强引用关联的对象不会被垃圾收集器回收。

使用 new 一个新对象的方式来创建强引用。

Object obj = new Object();

（二）软引用

被软引用关联的对象，只有在内存不够的情况下才会被回收。

使用 SoftReference 类来创建软引用。

Object obj = new Object();
SoftReference