Java运行时内存分配和垃圾回收机制介绍

目录

一、Java运行时内存分配

二、垃圾回收算法

三、获取Java进程的实时内存

一、Java运行时内存分配

Java内存池通常分为以下几个部分：

1. 堆内存（Heap Memory）：最大的内存池，用于存储所有对象实例和数组。堆内存是可扩展的，它的大小可以通过启动JVM时的参数进行调整。
2. 方法区（Method Area）：用于存储类信息、常量、静态变量和即时编译器编译后的代码等数据的内存区域。方法区也是可扩展的，所以也可能抛出OutofMemoryError；
3. 本地方法栈（Native Method Stack）：本地方法栈是Java虚拟机执行本地方法（Native Method）时使用的内存区域。本地方法是使用本地语言（如C、C++等）编写的方法，需要在运行时通过JNI接口调用。本地方法栈也是可扩展的。可能抛出StackOverflowError和OutofMemoryError；
4. Java栈（Java Stack）：Java栈是用于存储线程执行时的栈帧（Stack Frame）的内存区域。每个线程都有一个独立的Java栈，用于存储线程执行过程中的局部变量和操作数栈等数据。Java栈的大小可以通过启动JVM时的参数进行调整。当栈的深度超过规定深度时，可能抛出StackOverflowError和OutofMemoryError；
5. PC寄存器（Program Counter Register）：PC寄存器是用于存储线程执行时的指令地址的内存区域。每个线程都有一个独立的PC寄存器，用于存储当前正在执行的指令地址。

二、垃圾回收算法

对于新生代的内存，这些对象大多挺不过第一次的垃圾回收，所以使用的是标记——复制回收机制：

即通常把新生代的区域，划分为Eden : Survivor（图中的form）: Survivor 大小比例8:1:1，在回收时会把Eden和一块Survivor中仍在存在的对象复制到另一块Survivor中，然后进行清理，如果剩余的对象过多，一块Survivor放不下，就可能用到老年区的内存。

新生代内存的这种标记——复制算法，只适合对象的存活率比较低的情况，而且始终有部分内存是没有使用的，比较占内存，老年代的回收使用了标记——整理算法，对要回收的对象进行标记（反过来也可），然后直接移动不用回收的对象到老生代内存的开始区域，最后清理边界外的对象即可。

虽然这种算法占用的内存少，但是在移动对象时，还要更新引用存活对象的地方，这个时候会暂停应用程序。
那如何判定对象是否存活？Java中也有引用，但并不是利用引用计数来判断对象是否回收，而是利用可达性分析，也就是图论上的从根节点（GC_Roots）出发，如果某个节点（对象）不可达（没有被引用到），就认为该节点是可回收的，也就是非存活的。
常见的可作为GC_Roots的对象有：
1、在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，譬如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的 
参数、局部变量、临时变量等。 
2、在方法区中类静态属性引用的对象，譬如Java类的引用类型静态变量。 
3、在方法区中常量引用的对象，譬如字符串常量池（String Table）里的引用。·在本地方法栈中JNI（即通常所说的Native方法）引用的对象。 
4、Java虚拟机内部的引用，如基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（比如 
NullPointExcepiton、OutOfMemoryError）等，还有系统类加载器。 
5、所有被同步锁（synchronized关键字）持有的对象。 
6、反映Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。

三、获取Java进程的实时内存

常用的获取Java运行时内存的接口都封装在Runtime中，如果想用命令行工具查看运行时Java整个进程（PS：整个进程，不仅仅是堆内存）的内存占用情况，可以使用
jcmd pid GC.heap_info
输出如下：

pid:
 PSYoungGen      total 545280K, used 47470K [0x00000000d5580000, 0x00000000ff700000, 0x0000000100000000)
  eden space 406016K, 11% used [0x00000000d5580000,0x00000000d83dba90,0x00000000ee200000)
  from space 139264K, 0% used [0x00000000f6f00000,0x00000000f6f00000,0x00000000ff700000)
  to   space 141824K, 0% used [0x00000000ee200000,0x00000000ee200000,0x00000000f6c80000)
 ParOldGen       total 699392K, used 56443K [0x0000000080000000, 0x00000000aab00000, 0x00000000d5580000)
  object space 699392K, 8% used [0x0000000080000000,0x000000008371eff8,0x00000000aab00000)
 Metaspace       used 92947K, capacity 96139K, committed 96896K, reserved 1134592K
  class space    used 10340K, capacity 10954K, committed 11136K, reserved 1048576K

其中输出项的含义为：
以JDK 1.8为例，PSYoungGen 表示的是新生代，并且使用 Parallel Scavenge 收集器来 GC，ParOldGen 表示老年代，并且使用 Parallel old 收集器来 GC。
其中 eden、from 和 to 区域属于新生代（Young）区域，这三个区域大小的比例默认为 8:1:1，整个新生代区域和老年代区域的比例为 1:2。
Metaspace和class space不属于堆，它使用的是直接从机器上分配的内存。

Runtime.getRuntime().maxMemory() = -Xmx设置的大小- 2* PS Survivor Space；

Runtime.getRuntime().totalMemory() = PSYoungGen.total + ParOldGen.total 也就是堆的总内存

Runtime.getRuntime().freeMemory() = PSYoungGen.total - PSYoungGen.used + ParOldGen.total - ParOldGen.used 也就是分配的内存中未使用的量；

ManagementFactory.getMemoryMXBean().getNonHeapMemoryUsage().getMax() ： 非堆的内存最大值 ，等于Metaspace.reserved + class space.reserved

ManagementFactory.getMemoryMXBean().getNonHeapMemoryUsage().getUsed()：非堆区域使用内存的值，等于Metaspace.used + class space.used

MemoryPoolMXBean.getUsage().getMax():  class space的最大内存， 等于class space.reserved

MemoryPoolMXBean.getUsage().getUsed()： class space的使用量， 等于class space.used。