[置顶] 【理解JVM】JVM内存分块和垃圾收集算法（HotSpot）

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我把Android重难点和读书笔记都整理在github上：https://github.com/miomin/AndroidDifficulty

如果你觉得对你有帮助的话，希望可以star/follow一下哟，我会持续保持更新。

一、JVM内存分块

每一个进程会对应一个JVM实例，JVM在执行Java程序时，会将该进程获取到的内存划分成不同的数据块，这些区域有各自不同的用途和生命周期，参考《深入理解JVM虚拟机》，总结出以下结论：

• （1）PC：每个线程有独立的PC，PC的值指向程序即将执行的下一条指令的地址。
• （2）JVM Stack：每个线程都拥有一个，每个方法在执行时都会创建一个栈帧，存储所有的局部变量，返回地址等等。（局部变量的对象的引用存在Stack中，对象实例存在Java Heap中）
• （3）Native Method Stack：与Java虚拟机栈提供的服务一致，但是是为Native方法服务。
• （4）Java Heap：所有线程共享，存储类的所有成员变量（成员变量的对象的引用和实例都在Java Heap中）。Java Heap是GC的主要区域。
• （5）静态存储区（方法区）：所有线程共享，存储已经被JVM加载的Class的信息、常量、static变量、编译成的字节码。

• （6）Native Heap/直接内存区：直接内存区不是 JVM 管理的内存区域的一部分，而是其之外的。NIO就是使用Native函数库直接分配Native heap的内存，通过一个存储在Java heap中的DirectByteBuffer对象作为对该块Native heap内存的引用进行操作，提高流畅度，避免Java heap和Native heap中来回复制数据。Native heap的分配不受Java heap大小的限制，但是收到本机总内存的限制。（在Android3.0之前，Bitmap存储在Native heap中，Android3.0之后，存储在Java heap中）

• 在Android2.x中，Native heap会分配到每个JVM实例；在Andorid3.0以后，所有进程共享同一个Native heap，大小只受机器总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）的大小的影响。

• 特别注意：String和Integer、Long等特殊类型，具有不可变性，编译时就会分配内存，是存储在常量池中（常量池是方法区的一部分）。

• String源代码：

public final class String implements Serializable, Comparable<String>, CharSequence {

    private static final char REPLACEMENT_CHAR = (char) 0xfffd;
    ......
}

• Integer源代码：

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {

    /** * The int value represented by this Integer */
    private final int value;
    ......
}

• 可以看到，String和Integer内部的值实际都是存储在一个final变量中，所以内存是分配在常量池。由于这个特性，String是不可变的，用String做字符串拼接操作，会留下副本，产生新的对象。

二、new一个对象的过程

• （1）先检查该对象代表的类有没有被加载过，如果没有，必须先进行类的加载过程
• （2）从Java堆中划分一块内存出来给对象使用
• （3）先后执行static代码块（先父后子）
• （4）执行构造代码块（先父后子）
• （4）递归的调用Class的构造器，从Object到该对象的父类的构造函数（析构相反）
• （5）对对象中的成员显示初始化（被分配的内存全部赋值为0，或者默认值）

三、垃圾收集

虽说JVM的GC是自动化的，但是为了排查各种内存溢出、内存泄露的问题，需要对GC技术做进一步了解。《深入理解JVM虚拟机》书中提到，垃圾回收应该思考三件事情：

• 哪些内存需要回收？
• 什么时候回收？
• 如何回收？

下面就这些问题做一些思路上的整理，我们这里主要讨论的对象是Java Heap。

1、如何判断对象已死

• （1）引用计数法

  • 这是大部分教科书给出的答案，给对象添加一个计数器，每当在一个地方引用它，就将引用+1，引用失时，就将引用-1；GC的对象就是引用为0的对象。

  • 但是引用计数法有一个缺点，当对象之间被循环引用的时候，就算是没有实际用途的对象，也不会被回收掉。

    （下面说道的可达性算法就可以很好地解决这个缺陷）

• （2）可达性分析算法

  • 可达性算法的原理是通过一些GC Roots实现，在内存中不能找到GC Roots的通路的对象，就是需要被回收的对象。
  • 一般来说，考虑选取static变量，老年代对象，栈帧中引用类型的变量。

2、引用类型

在JDK1.2之后，Java对引用类型进行扩充，分为强引用（Strong）、软引用（Soft）、弱引用（Weak）、虚引用（Phantom），下面逐一分析。

• 强引用（Strong Reference）：普遍存在的引用，使用Object object = new Object（）的方式new出来的对象就是强引用。
• 软引用（Soft Reference）：在内存即将不够用时，垃圾收集器会将软引用的对象回收掉。
• 弱引用（Weak Reference）：当触发了一次GC操作时，不管内存是否够用，都会回收掉弱引用的对象。
• 虚引用（Phantom Reference）：是否存在虚引用，不影响其生命周期，相当于没有被引用。使用虚引用的原因是为了在该对象被回收时收到通知。

3、GC算法

• （1）标记清除法（Mark-Sweep）：分为标记和清除两个阶段。

  • 标记阶段：标记所有可以访问的对象（也就是被引用的对象）
  • 清除阶段：扫描所有对象，将未标记的对象进行释放
  • 缺点：效率不高，而且容易产生内存碎片。
  • 用途：老生代垃圾收集

• （2）节点拷贝法（Copying collection）：在程序运行时分配两个heap，当一个heap用完时，触发GC，将存活的对象从运行时heap拷贝到用于GC的heap。释放掉残留在运行时heap中的对象，然后将两个heap互换角色。

  • 优点：不会产生内存碎片
  • 缺点：可用内存缩小为原来的一半
  • 用途：回收新生代对象
  • 改进：一般来说，会把新生代划分成一块Eden和两块较小的Survivor（HotSpot虚拟机默认每块Survivor为Eden的1/8），每次只使用Eden和其中一块Survivor存放存活的对象。（这部分的详细讲解在我的另一篇博文《深入浅出JVM垃圾收集》中）

• （3）标记整理法（Mark-Compact）：

  • 用途：回收老年代对象
  • 优点：无内存碎片
  • 算法过程与“标记-清除”法一样，但是后续会让存活对象向内存的一端移动，然后清理边界以外的内存，不会产生内存碎片。

• （4）分代收集算法（Generational Collection）：

  • 不是一种算法思想，而是把内存划分为新生代和老生代，对不同区域采用不同的垃圾收集算法。