Java虚拟机(一)—内存管理

运行时数据区域

程序计数器

当前线程所执行的字节码的行号指示器，，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要执行的字节码，每个线程有独立的程序计数器，是线程私有的

Java虚拟机栈

也是线程私有的，生命周期与线程相同。虚拟机栈是描述Java方法执行的内存模型，每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧(stack frame)用于存放局部变量表、操作栈、动态链接和方法出口等信息。每一个方法从开始执行到结束就对应着一个栈帧在虚拟机栈从入栈到出栈的过程。

• 线程请求栈深度大于虚拟机允许的深度，抛出StackOverflowError的异常
• 当虚拟机动态扩展后仍无法申请足够的内存时抛出OutOfMemoryError的异常

Java方法栈

与Java虚拟机栈类似，为虚拟机使用到的native方法进行服务

Java堆

堆是被所有线程共享的内存区域，用于存放对象实例，是垃圾收集器管理的主要区域，不一定在连续的内存空间上，只要逻辑连续即可。

方法区

是各个线程共享的区域，用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量和即时编译器编译后的代码等数据。

运行时常量池

是方法区的一部分，用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。

垃圾收集器和内存分配策略

根搜索算法

通过GC root的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索的过程称为引用链，当一个对象到GC root没有任何引用链相连的时候，则证明此对象是不可用的。可以作为GC root的对象包括以下几种

• 虚拟机栈中引用的对象
• 方法区中的类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• native方法中引用的对象

引用

• 强引用(String Reference): 只要强引用还在，垃圾收集器永远不会回收被引用对象
• 软引用(Soft Reference): 在内存不足时，垃圾收集器会回收这部分对象
• 弱引用(Weak Reference): 弱引用的对象只能存活到下次GC之前，无论内存是否够用都会被回收
• 虚引用(Phantom Reference): 一个对象是否有虚引用都不会对它的生存时间产生影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例，，为对象设置虚引用的目的是希望这个对象被回收时收到一个系统通知

对象回收过程

一个对象被回收需要经历两次标记过程，如果一个对象在经过根搜索之后没有与GC root相连的引用链，那么它会被第一次标记并进行筛选，筛选的条件是该对象有没有必要执行finalize()方法，没有必要执行的条件

• 对象有没有覆盖finalize()
• finalize()是否已经被虚拟机调用过

如果被认为有必要执行，这个对象会被放到F-Queue的队列中，并放在由一条虚拟机创建的低优先级Finalizer线程中去执行。执行操作由虚拟机触发，不保证会等到执行结束。稍后GC将对F-Queue中的对象进行二次小规模标记，如果对象成功在finalize()方法中重新和引用链上任意对象创建关联，在二次标记的时候会被移除F-Queue，如果没有的话就会很快被回收。

• finalize()只会被调用一次

回收方法区

收益比较低，主要回收两部分内容

• 废弃常量
• 无用的类

如果常量池中有常量不再被引用，将被从常量池中移除。判定无用的类的条件

• 该类所有实例都应经被回收，即Java堆中不存在该类的任何实例
• 加载该类的ClassLoader被回收
• 该类对应的java.lang.Class对象没有被引用，无法通过反射访问该类

垃圾收集算法

标记-清除算法

首先标记需要回收的对象，在标记完后统一进行回收，缺点

• 效率问题: 标记和清除的效率都不高
• 空间问题: 会产生大量不连续的内存碎片

复制算法

划分两块大小相等的内存，每次用一块，当这块内存用完了，就将活着的内存复制到另一块内存上，然后把已使用的内存清理掉。

• 优点

  • 实现简单
  • 运行高效

• 缺点

  • 内存使用量翻倍

用来回收新生代，将内存分为较大的Eden区和两块较小的Survivor区，当回收时将Eden和Survivor中存活的对象拷贝到另一个Survivor中，然后清除掉Eden和第一块Survivor，当Survivor空间不足时这些对象会被存放到老年代。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8:1。

标记-整理算法

老年代中使用，过程和标记-清除算法一样，后续不回收，而是将对象向一端移动，最后直接清除掉边界以外的内存

分代收集算法

新生代--复制算法
老年代--标记整理算法

垃圾收集器

Serial收集器

单线程收集器，进行垃圾收集时必须暂停其它所有工作线程

ParNew收集器

多线程的Serial收集器

Parallel Scavenge收集器

使用复制算法的收集器，和其它收集器区别

• CMS等关注用户线程等待时间，Parallel Scavenge收集器的目的是达到一个可控制的吞吐量，高吞吐量意味着更高效率的使用CPU，主要用于后台不需要交互的任务

  吞吐量=运行用户代码时间 / (运行用户代码时间 + 垃圾收集时间)
  

Serial Old收集器

Serial的老年代版本，使用标记-整理算法

Parallel Old收集器

Parallel Scavenge的老年代版本，使用标记整理算法

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器

CMS时一种获取最短停顿时间为目标的收集器

• 过程

  • 初始标记
  • 并发标记
  • 重新标记
  • 并发清除

• 缺点

  • 对CPU资源敏感
  • 无法处理浮动垃圾，可能出现Concurrent Mode Failure失败导致Full GC
  • CMS采用标记-清除算法，会产生内存碎片

G1收集器

• 基于标记-整理算法
• 可以非常精准的控制停顿，可以不牺牲吞吐量的前提下完成低停顿的内存回收

内存分配与回收策略

• 对象优先在Eden分配: 当Eden没有足够的空间时虚拟机发起一次Minor GC
• 大对象直接进入老年代: 大对象指需要大量连续储存空间的Java对象，例如长字符串、数组(byte[])等
• 长期存活对象进入老年代: 虚拟机给每个对象定义一个对象年龄计数器，对象在Eden生成后进过一次Minor GC后仍能存活，并能放入Survivor中，年龄设为1，以后每经过一次Minor GC年龄都加1，当年龄增加到一定阈值的时候进入老年代
• 动态对象年龄判定: 如果在Survivor中相同年龄所有对象大小的综合等于Survivor一半的时候，年龄大于等于该年龄进入老年代

参考

• 深入理解Java虚拟机, 周志明