java中的内存模型与GC

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概念

• 对于从事C、C++程序开发的开发人员来说，在内存管理领域，他们既是拥有最高权力的“皇帝”又是从事最基础工作的“劳动人民” —— 既拥有每一个对象的“所有权”，又负担着每一个对象生命开始到终结的维护责任。
• 对于java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存这一切看起来都是很美好。不过，也正是因为java程序员把内存控制的权利交给了java虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是如何使用内存的，那么排查错误将会是一项异常艰难的工作。

内存结构

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。这些区域都有各的用途，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，有些区域则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（JavaSE 7版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域。

Java虚拟机运行时数据区

由上图可知，运行时数据区被分为线程私有数据区和线程共享数据区两大类：

• 线程私有数据区包含：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
• 线程共享数据区包含：Java堆、方法区（内部包含常量池）

1，程序计数器（Program Counter Register）：是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。如果线程在执行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地址；如果执行的是Native方法，这个计数器的值为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

• 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）都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。

2，虚拟机栈 （Java Virtual Machine Stacks）：每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一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。

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（Native Method Stack）：本地方法栈与虚拟机所发挥的作用很相似，他们的区别在于虚拟机栈为执行Java代码方法服务，而本地方法栈是为Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4，Java堆（Java Heap）：用于存放几乎所有的对象实例和数组，被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。同时Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。由于现在的收集器基本上采用的都是分代收集算法，所有Java堆可以细分为：新生代和老年代。在细致分就是把新生代分为：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。当堆无法再扩展时，会抛出OutOfMemoryError异常。

5，方法区（Method Area）：与Java堆一样，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、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）：是方法区的一部分。 Class文件中除了有类的版本、 字段、 方法、 接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

• 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有编译期才能产生，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。
• 既然运行时常量池是方法区的一部分，自然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。

对象的引用

1，强引用（StrongReference）：是使用最普遍的引用，如使用new关键字创建对象。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）：如果一个对象只具有软引用，那么如果内存空间足够，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。

软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

//1，创建软引用，并将bitmap设置为软引用类型
SoftReference bitmapSoftReference = new SoftReference<>(bitmap);
//2，从软引用中获取缓存的bitmp信息
Bitmap bitmap1 = bitmapSoftReference.get();
//3，对获取的bitmap进行判断，防止被回收后无法使用
if (bitmap1 != null) {
    //4，使用缓存的bitmap
}

3，弱引用（WeakReference）: 如果一个对象只具有弱引用，那么在垃圾回收器线程扫描的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。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。
弱引用也可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

4，虚引用（PhantomReference）: 虚引用是所有引用类型中最弱的一个。一个持有虚引用的对象，和没有引用几乎是一样的，随时都可能被垃圾回收器回收。当试图通过虚引用的get()方法取得强引用时，总是会失败。并且，虚引用必须和引用队列一起使用，它的作用在于跟踪垃圾回收过程。 当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在垃圾回收后，销毁这个对象，奖这个虚引用加入引用队列。

四种引用的对比

GC回收

1，对象的存活：垃圾收集器在进行回收之前，需要判断哪些对象是无用的，能够进行回收的。判断无用对象有两种算法：一种是引用计数算法，另一种是可达性分析算法。

• 引用计数：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值加1；当引用失效时，计数器减1；任何时刻计数器都为0的对象就是不可能再被使用的。但是，引用计数算法有一个缺陷，就是无法解决对象之间相互循环引用的问题。

• 可达性分析：通过一系列的称为GC Roots的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说，就是从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。如下图所示，对象object 5、object 6、object 7虽然互相有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将会被判定为是可回收的对象。

可达性分析算法

在Java语言中，可作为GC Roots的对象包括下面几种：
1.虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
2.方法区中类静态属性引用的对象。
3.方法区中常量引用的对象。
4.本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象。

2，JVM堆模型/分代：JVM将堆分成了二个大区新生代（Young）和老年代（Old），新生代又被进一步划分为Eden和Survivor区，而Survivor由FromSpace和ToSpace组成，也有些人把FromSpace和ToSpace叫成Survivor1和Survivor2。

• 新生代 ：新创建的对象都是在新生代分配内存，Eden空间不足时，触发Minor GC，这时会把存活的对象转移进Survivor区。
  新生代的GC（Minor GC）：新生代通常存活时间较短，其基于复制算法进行回收。复制算法就是扫描出存活的对象，然后复制到一块新的完全未使用的空间中，对应于新生代，就是在Eden和FromSpace或ToSpace之间复制。新生代采用空闲指针的方式来控制GC触发，指针保持最后一个分配的对象在新生代区间的位置，当有新的对象要分配内存时，用于检查空间是否足够，不够就触发GC。当连续分配对象时，对象会逐渐从Eden到Survivor，最后到老年代。

• 老年代：老年代用于存放经过多次Minor GC之后依然存活的对象。
  老年代的GC（Major GC/Full GC）：老年代与新生代不同，老年代对象存活的时间比较长、比较稳定，因此采用标记(Mark)算法来进行回收，所谓标记就是扫描出存活的对象，然后再进行回收未被标记的对象，回收后对用空出的空间要么进行合并、要么标记出来便于下次进行分配，总之目的就是要减少内存碎片带来的效率损耗。

3，垃圾收集算法

• 复制算法：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整个半区进行内存回收，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。
  只是这种算法的代价是将内存缩小为了原来的一半，未免太高了一点。

• 标记—清除算法：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所有被标记的对象。标记-清除算法是最基础的收集算法，其他的收集算法都是基于这种思路并对其不足进行改进而得到的。
  标记-清除算法的不足一个是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；另一个是空间问题，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以后在程序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动作。

• 标记—整理算法：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。

• 分代收集算法：目前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法，根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。
  在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。
  而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记—清理”或者“标记—整理”算法来进行回收。