Java内存区域与垃圾回收机制

一、Java运行时数据区域

运行时数据区

1. 程序计数器

一块较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行字节码的行号指示器，字节码解释器通过改变这个计数器的值选取下一条要执行的字节码指令，分支、循环、跳转异常处理、线程恢复都依赖指示器。每个线程都有一个独立的程序计数器。

2. 虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的，生命周期与线程相同，内存空间大小确定。虚拟机栈是描述Java方法执行的内存模型：每个方法执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等。每个方法从调用直至执行完成的过程对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
局部变量表存储8种基本数据类型、对象的引用、returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。

3. 本地方法栈

与虚拟机栈作用类似，服务于Native方法。

4. 堆

GC管理的主要区域，存放对象实例与数组，线程共享，虚拟机启动时创建，大小可扩展。因为虚拟机基本都使用分代收集算法，所以可以细分为新生代、老年代、持久代，再细致可以分为Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。线程共享的堆空间可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。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。

Java堆内存分配策略

1. 对象优先在Eden分配
2. 大对象（需要大量连续内存空间的Java对象）直接进入老年代
3. 长期存活的对象将进入老年代

5. 方法区

线程共享，存放类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。运行时常量池是方法区的一部分。

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以上区域只有程序计数器不会OOM，其他区域当申请不到内存时抛出OOM异常。

二、Java内存回收机制

先介绍一下Java中的四种引用：

1. 强引用：使用new方法创建的对象，只要强引用存在，GC永远不会回收对象。
2. 软引用：有用但非必须的对象，系统内存不足时进行回收，回收后内存依然不足抛出OOM。
3. 弱引用：非必须对象，下一次GC时回收。
4. 虚引用：随时回收，一个对象是否有虚引用的存在不会对其生存时间构成影响，设置虚引用唯一的目的是能在这个对象被回收时受到一个系统通知。

接下来介绍两种存活判定算法：

1. 引用计数算法：给对象中添加一个计数器，每当有一个地方引用它，计数器+1，当引用失效，计数器-1，计数器为0的对象就是不可能再被使用的。引用计数算法的缺点是当对象互相引用时计数器都不为0，造成对象无法回收。
2. 可达性分析算法：通过一系列GC Roots对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连，就是GC Roots到这个对象不可达，证明此对象是不可用的，判定为可回收对象。主流JVM都使用可达性分析算法。

GC Roots对象包括以下几种：

1. 虚拟机栈中栈帧中的本地变量表中引用的对象。
2. 方法区中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Native方法引用的对象。

即使可达性分析中不可达的对象，也不是一定被回收，一个对象被回收至少要经过两次标记过程：如果一个对象在进行可达性分析后没有发现与GC Roots相连的引用链，进行第一次标记并进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize方法，如果对象没有覆写finalize方法或finalize方法已经被虚拟机调用（finalize方法只能执行一次），这两种情况都是没必要执行。
如果一个对象被判定为有必要执行finalize方法，这个对象会被放置在一个F-Queue队列中，并在稍后由一个Finalizer线程调用执行finalize方法。稍后GC会对F-Queue中的对象进行第二次标记，如果对象在finalize方法中重新与引用链上任何一个对象建立关联，在第二次标记时会被移出即将回收的集合。

最后介绍几种垃圾收集算法：

1. 标记-清除算法：
   首先标记出所有需要回收的对象，标记完成后统一回收所有被标记的对象。

标记-清除算法的两个不足：

1. 标记和清除过程的效率不高。
2. 空间问题，标记清除后产生大量不连续的内存碎片。

2. 复制算法：
   将可用内存按容量大小分为相等的两块，每次只使用其中一块，当一块内存用完，将还存活的对象复制到另一块上，然后把已使用过的内存空间一次清理掉。每次都是对整个半区进行内存回收，不用考虑内存碎片。代价是内存缩小为原来的一半，老年代一般不使用这种算法。
3. 标记-整理算法
   标记过程与标记-清除算法一样，后续步骤让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。针对老年代。
4. 分代收集算法：
   根据存活周期不同将内存划分为几块，根据各年代的特点采用最适当的收集算法。新生代使用复制算法，老年代使用标记-清理或标记-整理算法。