JVM内存结构与java内存模型(JMM)

JVM内存结构

我们都知道，Java代码是要运行在虚拟机上的，而虚拟机在执行Java程序的过程中会把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。其中有些区域随着虚拟机进程的启动而存在，而有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。在《Java虚拟机规范（Java SE 8）》中描述了JVM运行时内存区域结构如下：

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1、以上是Java虚拟机规范，不同的虚拟机实现会各有不同，但是一般会遵守规范。

2、规范中定义的方法区，只是一种概念上的区域，并说明了其应该具有什么功能。但是并没有规定这个区域到底应该处于何处。所以，对于不同的虚拟机实现来说，是由一定的自由度的。

3、不同版本的方法区所处位置不同，上图中划分的是逻辑区域，并不是绝对意义上的物理区域。因为某些版本的JDK中方法区其实是在堆中实现的。

4、运行时常量池用于存放编译期生成的各种字面量和符号应用。但是，Java语言并不要求常量只有在编译期才能产生。比如在运行期，String.intern也会把新的常量放入池中。

5、除了以上介绍的JVM运行时内存外，还有一块内存区域可供使用，那就是直接内存。Java虚拟机规范并没有定义这块内存区域，所以他并不由JVM管理，是利用本地方法库直接在堆外申请的内存区域。

6、堆和栈的数据划分也不是绝对的，如HotSpot的JIT会针对对象分配做相应的优化。

如上，做个总结，JVM内存结构，由Java虚拟机规范定义。描述的是Java程序执行过程中，由JVM管理的不同数据区域。各个区域有其特定的功能。

Java虚拟机规范中定义了Java内存模型（Java Memory Model，JMM），用于屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果，JMM规范了Java虚拟机与计算机内存是如何协同工作的：规定了一个线程如何和何时可以看到由其他线程修改过后的共享变量的值，以及在必须时如何同步的访问共享变量。

原始的Java内存模型存在一些不足，因此Java内存模型在Java1.5时被重新修订。这个版本的Java内存模型在Java8中仍然在使用。

Java内存模型（不仅仅是JVM内存分区）

Java内存模型即Java Memory Model，简称JMM。JMM定义了Java 虚拟机(JVM)在计算机内存(RAM)中的工作方式。JVM是整个计算机虚拟模型，所以JMM是隶属于JVM的。

Java内存模型定义了多线程之间共享变量的可见性以及如何在需要的时候对共享变量进行同步。原始的Java内存模型效率并不是很理想，因此Java1.5版本对其进行了重构，现在的Java8仍沿用了Java1.5的版本。

 一个本地变量可能是原始类型，在这种情况下，它总是“呆在”线程栈上。
 一个本地变量也可能是指向一个对象的一个引用。在这种情况下，引用（这个本地变量）存放在线程栈上，但是对象本身存放在堆上。
 一个对象可能包含方法，这些方法可能包含本地变量。这些本地变量仍然存放在线程栈上，即使这些方法所属的对象存放在堆上。
 一个对象的成员变量可能随着这个对象自身存放在堆上。不管这个成员变量是原始类型还是引用类型。
 静态成员变量跟随着类定义一起也存放在堆上。
存放在堆上的对象可以被所有持有对这个对象引用的线程访问。当一个线程可以访问一个对象时，它也可以访问这个对象的成员变量。如果两个线程同时调用同一个对象上的同一个方法，它们将会都访问这个对象的成员变量，但是每一个线程都拥有这个成员变量的私有拷贝。

关于并发编程
在并发编程领域，有两个关键问题：线程之间的通信和同步。

线程之间的通信
线程的通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种共享内存和消息传递。

在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信，典型的共享内存通信方式就是通过共享对象进行通信。

在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信，在java中典型的消息传递方式就是wait()和notify()。

线程之间的同步
同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。

在共享内存并发模型里，同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行。

在消息传递的并发模型里，由于消息的发送必须在消息的接收之前，因此同步是隐式进行的。

Java的并发采用的是共享内存模型

Java线程之间的通信总是隐式进行，整个通信过程对程序员完全透明。如果编写多线程程序的Java程序员不理解隐式进行的线程之间通信的工作机制，很可能会遇到各种奇怪的内存可见性问题。

CPU

多CPU：一个现代计算机通常由两个或者多个CPU。其中一些CPU还有多核。从这一点可以看出，在一个有两个或者多个CPU的现代计算机上同时运行多个线程是可能的。每个CPU在某一时刻运行一个线程是没有问题的。这意味着，如果你的Java程序是多线程的，在你的Java程序中每个CPU上一个线程可能同时（并发）执行。
CPU寄存器：每个CPU都包含一系列的寄存器，它们是CPU内内存的基础。CPU在寄存器上执行操作的速度远大于在主存上执行的速度。这是因为CPU访问寄存器的速度远大于主存。
高速缓存cache：由于计算机的存储设备与处理器的运算速度之间有着几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。CPU访问缓存层的速度快于访问主存的速度，但通常比访问内部寄存器的速度还要慢一点。每个CPU可能有一个CPU缓存层，一些CPU还有多层缓存。在某一时刻，一个或者多个缓存行（cache lines）可能被读到缓存，一个或者多个缓存行可能再被刷新回主存。
内存：一个计算机还包含一个主存。所有的CPU都可以访问主存。主存通常比CPU中的缓存大得多。
运作原理：通常情况下，当一个CPU需要读取主存时，它会将主存的部分读到CPU缓存中。它甚至可能将缓存中的部分内容读到它的内部寄存器中，然后在寄存器中执行操作。当CPU需要将结果写回到主存中去时，它会将内部寄存器的值刷新到缓存中，然后在某个时间点将值刷新回主存。

问题
- 缓存一致性问题：
  在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存（MainMemory）。基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也引入了新的问题：缓存一致性（CacheCoherence）。当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致的情况，如果真的发生这种情况，那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准呢？为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI（IllinoisProtocol）、MOSI、Synapse、Firefly及DragonProtocol，等等：

- 指令重排序问题：
为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行（Out-Of-Order Execution）优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致。因此，如果存在一个计算任务依赖另一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序（Instruction Reorder）优化

JMM和硬件内存架构之间的桥接

Java内存模型与硬件内存架构之间存在差异。硬件内存架构没有区分线程栈和堆。对于硬件，所有的线程栈和堆都分布在主内存中。部分线程栈和堆可能有时候会出现在CPU缓存中和CPU内部的寄存器中。如下图所示：

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从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：

线程之间的共享变量存储在主内存（Main Memory）中
每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在，它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的拷贝副本。
从更低的层次来说，主内存就是硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，虚拟机及硬件系统可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中。
Java内存模型中的线程的工作内存（working memory）是cpu的寄存器和高速缓存的抽象描述。而JVM的静态内存储模型（JVM内存模型）只是一种对内存的物理划分而已，它只局限在内存，而且只局限在JVM的内存。

JMM模型下的线程间通信：

JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

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线程间通信必须要经过主内存。

如下，如果线程A与线程B之间要通信的话，必须要经历下面2个步骤：

1）线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。

2）线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

关于主内存与工作内存之间的具体交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了以下八种操作来完成：

lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
unlock（解锁）：作用于主内存变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用
load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺寻地执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。但Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。

不允许read和load、store和write操作之一单独出现
不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。lock和unlock必须成对出现
如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

JMM可见性问题

可见性（共享对象可见性）：线程对共享变量修改的可见性。当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立刻得知这个修改

线程缓存导致的可见性问题：

如果两个或者更多的线程在没有正确的使用volatile声明或者同步的情况下共享一个对象，一个线程更新这个共享对象可能对其它线程来说是不可见的：共享对象被初始化在主存中。跑在CPU上的一个线程将这个共享对象读到CPU缓存中，然后修改了这个对象。只要CPU缓存没有被刷新会主存，对象修改后的版本对跑在其它CPU上的线程都是不可见的。这种方式可能导致每个线程拥有这个共享对象的私有拷贝，每个拷贝停留在不同的CPU缓存中。

解决这个内存可见性问题你可以使用：
- Java中的volatile关键字：volatile关键字可以保证直接从主存中读取一个变量，如果这个变量被修改后，总是会被写回到主存中去。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是：volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每个线程在每次使用volatile变量前都立即从主内存刷新。因此我们可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。
- Java中的synchronized关键字：同步快的可见性是由“如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值”、“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store和write操作）”这两条规则获得的。
- Java中的final关键字：final关键字的可见性是指，被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那么在其他线程就能看见final字段的值（无须同步）

重排序导致的可见性问题：

Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本地线程内观察，所有操作都是有序的（“线程内表现为串行”(Within-Thread As-If-Serial Semantics)）；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的（“指令重排序”现象和“线程工作内存与主内存同步延迟”现象）。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性：
- volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义
- synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入

一、Java内存分配

Java虚拟机在执行Java程序的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。这些区域存储不同类型的数据，这些区域的内存分配和销毁的时间也不同，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些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）》的规定，Java虚拟机管理的内存包括五个运行时数据区域，如下图所示：

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1、方法区

方法区（Method Area）是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息（包括类的名称、方法信息、成员变量信息）、常量、静态变量、以及编译器编译后的代码等数据。当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemeryError异常。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分,此区域会在两种情况下存储数据。

（1）class文件的常量池中的数据

class文件中的常量池用于存放编译期生成的各种字面值和常量，这部分内容在类被加载后存放到方法区的运行时常量池中。

字面值：private String name="zhangSan"；private int age = 23+3；

常量：private final String TAG = "MainActivity"；private final int age = 26;

（2）运行期间生成的常量

运行时常量池相对于class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。String str = "abc".intern();当运行时常量池中存在字符串"abc时，将该字符串的引用返回，赋值给str，否则创建字符串"abc"，加入运行时常量池中，并返回引用赋值给str。既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2、虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的内存空间，每个线程都有一个线程栈，每个方法被执行时都会创建一个栈帧，方法执行完成，栈帧弹出，线程运行结束，线程栈被回收。虚拟机栈就是Java中的方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，这个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、指向当前方法所属的类的运行时常量池的引用、方法返回地址等信息，每个方法从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入栈到出栈的过程。局部变量表用来存储方法中的局部变量，包括方法中声明的变量以及函数形参。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，并且在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。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当前方法所属的类的运行时常量池。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。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：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；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

3、本地方法栈

本地方法栈也是线程私有的内存空间，本地方法栈与Java栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是Java栈执行Java方法，本地方法栈执行的是本地方法，有的虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

4、堆

Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，在虚拟机启动时创建，此内存区域的目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(TLAB)。Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上连续即可，在实现上，既可以实现固定大小的，也可以是扩展的。如果堆中没有足够的内存分配给实例，并且堆也无法再拓展时，将会抛出OutOfMemeryError异常。

堆是运行时动态分配内存，对象在没有引用变量指向它的时候，才变成垃圾，但是仍然占着内存，在程序空闲的时候（没有工作线程运行，GC线程优先级最低）或者堆内存不足的时候（GC线程被触发），被垃圾回收器释放掉，由于要在运行时动态分配内存，存取速度较慢。

5、程序计数器

程序计数器的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示。字节码解释器工作时就是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，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为线程私有的内存。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空。

Java内存回收

对于虚拟机栈空间，当方法调用结束后，基本类型变量、引用类型变量、形参占据的空间会被自动释放，但引用类型指向的对象在堆中，堆中的无用内存由垃圾回收线程回收，GC线程优先级最低，只有当没有工作线程存在时GC线程才会执行，或者堆空间不足时会自动触发GC线程工作。除了回收内存，GC线程还负责整理堆中的碎片。

四种引用类型

Java中的对象引用分为四种，强引用类型、软引用类型、弱引用类型、虚引用类型。Java中提供这四种引用类型主要有两个目的：第一是可以让程序员通过代码的方式决定某些对象的生命周期；第二是有利于JVM进行垃圾回收。使用软引用和弱引用可以有效的避免oom。软引用关联的对象，只有软引用关联时，才可回收，如果有强引用同时关联，不会回收对象占用的内存，弱引用也如此。

（1）强引用

强引用是使用最普遍的引用，类似Object obj = new Object()、String str = "hello"。如果一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。
（2）软引用（SoftReference）

软引用是用来描述一些有用但并不是必需的对象，在Java中用java.lang.ref.SoftReference类来表示，如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它；如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用通常用于网页缓存、图片缓存，防止内存溢出，在内存充足的时候，缓存对象会一直存在，在内存不足的时候，缓存对象占用的内存会被垃圾收集器回收。使用示例：

    public void testSoftReference() {
        Map> imagesCache = new HashMap>();
        Bitmap bitmap = getBitmap();
        SoftReference image1 = new SoftReference(bitmap);
        imagesCache.put("image1",image1);
        SoftReference result_SoftReference = imagesCache.get("image1");
        Bitmap result_Bitmap = result_SoftReference .get();
     
    }
    
    import java.lang.ref.SoftReference;
     
    public class Main {
        public static void main(String[] args) {
            SoftReference sr = new SoftReference(new String("hello"));
            System.out.println(sr.get());
        }
    }

（3）弱引用（WeakReference）

弱引用也是用来描述非必需对象的，但是它的强度比软引用更弱一些，在java中用java.lang.ref.WeakReference类来表示。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象，不过由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。弱引用可以用于：单例类持有一个activity引用时，会造成内存泄露，把activity声明为弱引用，在activity销毁后，垃圾收集器扫描到activity对象时，会回收activity对象的内存。使用示例：

    public class SingleTon1 {  
        private static final SingleTon1 mInstance = null;  
        private WeakReference mContext;
        private SingleTon1(WeakReference context) {  
        mContext = context;
        }  
      
        public static SingleTon1 getInstance(WeakReference context) {  
            if (mInstance == null) {  
                synchronized (SingleTon1.class) {  
                    if (mInstance == null) {  
                        mInstance = new SingleTon1(context);  
                    }  
                }  
            }  
            return mInstance;  
        }  
    }  
     
     
    public class MyActivity extents Activity {
        public void onCreate (Bundle savedInstanceState){
           super.onCreate(savedInstanceState);
           setContentView(R.layout.main);
           SingleTon1 singleTon1 = SingleTon1.getInstance(new WeakReference(this));
       }
     
    }
    import java.lang.ref.WeakReference;
     
    public class Main {
        public static void main(String[] args) {
         
            WeakReference sr = new WeakReference(new String("hello"));
             
            System.out.println(sr.get());
            System.gc();                //通知JVM的gc进行垃圾回收
            System.out.println(sr.get());
        }
    }

输出结果：

hello
null

第二个输出结果是null，这说明只要JVM进行垃圾回收，被弱引用关联的对象必定会被回收掉。不过要注意的是，这里所说的被弱引用关联的对象是指只有弱引用与之关联，如果存在强引用同时与之关联，则进行垃圾回收时也不会回收该对象（软引用也是如此）。

（4）虚引用

虚引用和软引用、弱引用不同，它并不影响对象的生命周期，也无法通过虚引用来取得一个对象实例，在java中用java.lang.ref.PhantomReference类表示。如果一个对象与虚引用关联，则跟没有引用与之关联一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。虚引用必须和引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如下：

    import java.lang.ref.PhantomReference;
    import java.lang.ref.ReferenceQueue;
     
     
    public class Main {
        public static void main(String[] args) {
            ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
            PhantomReference pr = new PhantomReference(new String("hello"), queue);
            System.out.println(pr.get());
        }
    }

2、垃圾回收算法

（1）标记-清除（Mark-Sweep）

标记-清除（Mark-Sweep）算法，分为标记和清除两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。

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标记-清除算法主要问题是：
1、效率问题，标记和清除过程的效率很低
2、空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致，当程序在以后的运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集

（2）复制（Copying）算法

复制算法，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对其中的一块进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。

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复制算法的主要问题是：
1、复制算法将内存缩小为原来的一半，过于浪费
2、对象存活率较高时就要执行较多的复制操作，造成频繁GC,效率将会变低

（3）标记-整理（Mark-Compact）

标记-整理算法的标记过程仍然与标记-清除算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存，这样连续的内存空间就比较多了。

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如上图所示，所有存活的对象依次向左上角移动，（0,4）移动到（0,2），（1,0）移动到（0,3），依次类推，当所有的存活对象移动完成后，把剩余的所有空间清空，也就是清空（1,1）后的所有空间。

（4）分代回收（generational collection）

程序创建的大部分对象的生命周期都很短，只有一小部分对象的生命周期比较长，根据这样的规律，一般把Java堆分为Young Generation（新生代），Old Generation（老年代）和Permanent Generation（持久代），上面几种算法是通过分代回收混合在一起的，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的回收算法。

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（1）新生代

在新生代中，有一个叫Eden Space的空间，主要是用来存放新生的对象，还有两个Survivor Spaces（from、to）， 这两个区域大小相等，相当于copying算法中的两个区域，它们用来存放每次垃圾回收后存活下来的对象。在新生代中，垃圾回收一般用Copying的算法，速度快。

当新建对象无法放入eden区时，将触发minor collection（minorGC 是清理新生代的GC线程，eden的清理，from、to的清理都由MinorGC完成），将eden区与from区的存活对象复制到to区，经过一次垃圾回收，eden区和from区清空，to区中则紧密的存放着存活对象；当eden区再次满时，minor collection将eden区和to区的存活对象复制到from区，eden区和to区被清空，from区存放eden区和to区的存活对象，就这样from区和to区来回切换。如果进行minor collection的时候，发现to区放不下，则将eden区和from区的部分对象放入成熟代。另一方面，即使to区没有满，JVM依然会移动世代足够久远的对象到成熟代。

（2）成熟代

在成熟代中主要存放应用程序中生命周期长的内存对象，垃圾回收一般用mark-compact的算法，速度慢些，但减少内存要求。如果成熟代放满对象，无法从新生代移入新的对象，那么将触发major collection（major GC清理整合OldGen的内存空间）。

（3）永久代

在永久代中，主要用来放JVM自己的反射对象，比如类对象、方法对象、成员变量对象、构造方法对象等。
此外，垃圾回收一般是在程序空闲的时候（没有工作线程，GC线程优先级较低）或者堆内存不足的时候自动触发，也可以调用System.gc()主动的通知Java虚拟机进行垃圾回收，但这只是个建议，Java虚拟机不一定马上执行，启动时机的选择由JVM决定，并且取决于堆内存中Eden区是否可用。

说明：
from, to: 这两个区域大小相等，相当于copying算法中的两个区域，当新建对象无法放入eden区时，将出发minor collection。JVM采用copying算法，将eden区与from区的可到达对象复制到to区。经过一次垃圾回收，eden区和from区清空，to区中则紧密的存放着存活对象。随后from区成为新的to区， to区成为新的from区。如果进行minor collection的时候，发现to区放不下，则将部分对象放入成熟世代。另一方面，即使to区没有满，JVM依然会移动世代足够久远的对象到成熟世代。如果成熟世代放满对象，无法移入新的对象，那么将触发major collection（Full回收）。

JVM内存结构与java内存模型(JMM)