JVM学习笔记 - 内存管理机制

前言

最近在复习JVM的知识，主要参考教材是周志明老师的《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性和最佳实现》，文章将记录一些关键笔记。
本文是第一份笔记，主题是“内存管理机制”。

关于内存

运行时数据区

虚拟机在执行程序的过程中，会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。

程序计数器 Program Counter Register

• 小块内存空间
• 程序字节码的行号指示器
• 每条线程有独立的程序计数器

虚拟机栈 Virtual Machine Stacks

• 线程私有
• 生命周期和线程相同
• 每个方法在执行的同时，会创建一个帧栈（Stack Frame)用于存放局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息
• 每一个方法从调用到执行完成的过程，对应一个帧栈入栈到出栈的过程
• 请求栈深度过大 -> StackOverflowError
• 扩展内存不足 -> OutOfMemoryError

本地方法栈 Native Method Stack

• 与虚拟机栈非常相似
• 虚拟机栈为Java方法服务，本地方法栈为Native方法服务

堆 Heap

• 虚拟机中最大的一块
• 所有线程共享
• 存放对象实例
• 垃圾回收的主要区域
• 可以处于物理不连续的内存空间，只要逻辑上连续
• 扩展内存不足 -> OutOfMemoryError

方法区 Method Area

• 线程共享
• 储存类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据
• 较少出现垃圾回收
• 拓展内存不足 -> OutOfMemoryError

关于对象

创建流程

加载 -> 分配内存 -> 内存初始化 -> 存放对象头 -> 实例初始化

内存布局

对象在内存中存储的布局分为三个区域：对象头 Header、实例数据 Instance Data、对齐填充 Padding。

对象头 Header

• 一部分存储对象自身运行时的数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等
• 另一部分存储类型指针，即对象指向它的类元数据的指针
• 如果是数组，还会记录数组长度

实例数据 Instance Data

• 对象真正存储的有效信息
• 包括从父类继承的数据、在子类定义的数据等

对齐填充 Padding

• 不一定存在
• 补全占位符，内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍

访问定位

程序需要通过栈上的引用（reference）来操作堆上的具体对象，reference有两种方式来定位、访问堆中的对象的具体位置：句柄访问、直接指针。

句柄访问

• 堆中划分一块内存来作为句柄池
• reference存储对象的句柄地址
• 好处：reference存储稳定的句柄地址，对象被移动时只需改变句柄中的指针

直接指针

• 堆对象中放置访问类型数据的信息
• reference直接存储对象地址
• 好处：速度快，节省一次指针定位开销

关于垃圾回收

对象已死？

如何确定堆中的对象已经不被任何途径使用？

引用计数算法

• 每当一个地方引用某个对象，计数器加1,；引用失效时，计数器减1
• 计数器为0，表示对象不再被使用
• 实现简单，判定效率很高
• 难以解决对象之间互相循环引用的问题
• 主流Java虚拟机没采用该算法

可达性分析算法

• 主流商用程序语言的主流实现算法
• 通过一系列 GC Roots 为起点，从节点向下搜索，搜索过的路径称为引用链（Reference Chain）
• 某个对象到 GC Roots 之间没有任何引用链相连，则此对象不可用
• Java中可作为 GC Roots 的对象包括虚拟机栈中引用的对象、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引用的对象等等

对象引用方式

为了避免狭隘地定义一个对象只有被引用和没被引用两种状态，在JDK1.2之后，Java引入了强引用 Strong Reference、软引用 Soft Reference、弱引用 Weak Reference、虚引用 Phantom Reference四种定义，引用强度依次减弱。

强引用 Strong Reference

• 必须的对象
• GC永远不会回收
• Object obj = new Object()

软引用 Soft Reference

• 有用但非必须对象
• 发生OOM前，会对软引用进行回收
• Object obj = new SoftReference