文章作為《深入理解Java虛擬機(jī)》讀書(shū)筆記，講的可能就沒(méi)書(shū)本詳細(xì)。

Java內(nèi)存模型

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)把它管理的內(nèi)存分為若干數(shù)據(jù)區(qū)域，這些數(shù)據(jù)區(qū)域分布情況如下圖所示：

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

• 程序計(jì)數(shù)器：一塊較小內(nèi)存區(qū)域，指向當(dāng)前所執(zhí)行的字節(jié)碼。如果線程正在執(zhí)行一個(gè)Java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址，如果執(zhí)行的是Native方法，這個(gè)計(jì)算器值為空。(線程私有)

• Java虛擬機(jī)棧：線程私有的，其生命周期和線程一致，描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。每個(gè)方法執(zhí)行時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。（線程私有）

局部變量表：存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型，對(duì)象引用。其中64位長(zhǎng)度的long和double類(lèi)型的數(shù)據(jù)會(huì)占用2個(gè)局部變量空間，其余的數(shù)據(jù)類(lèi)型只占用一個(gè)。如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，則拋出StackOverflowError異常。如果動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，則拋出OutOfMemoryError異常。

• 本地方法棧：與虛擬機(jī)棧功能類(lèi)似，只不過(guò)虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則為使用到的Native方法服務(wù)。

• Java堆：是虛擬機(jī)管理內(nèi)存中最大的一塊，被所有線程共享，該區(qū)域用于存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象都在該區(qū)域分配。Java堆是內(nèi)存回收的主要區(qū)域，從內(nèi)存回收角度看，由于現(xiàn)在的收集器大都采用分代收集算法，所以Java堆還
  可以細(xì)分為：新生代和老年代，再細(xì)分一點(diǎn)的話可以分為Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范規(guī)定，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的空間，只要邏輯上是連續(xù)的就行。（線程共享）

• 方法區(qū)：與Java一樣，是各個(gè)線程所共享的，用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。（線程共享）

• 運(yùn)行時(shí)常量池：運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，Class文件中除了有類(lèi)的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用。運(yùn)行期間可以將新的常量放入常量池中，用得比較多的就是String類(lèi)的intern()方法，當(dāng)一個(gè)String實(shí)例調(diào)用intern時(shí)，Java查找常量池中是否有相同的Unicode的字符串常量，若有，則返回其引用；若沒(méi)有，則在常量池中增加一個(gè)Unicode等于該實(shí)例字符串并返回它的引用。

虛擬機(jī)對(duì)象

• 對(duì)象的創(chuàng)建：虛擬機(jī)遇到一條new指令時(shí)，首先將去檢查這個(gè)指令的參數(shù)是否能在常量池中定位到一個(gè)類(lèi)的符號(hào)引用，并且檢查這個(gè)符號(hào)引用代表的類(lèi)是否已被加載，解析和初始化。如果沒(méi)有則先執(zhí)行相應(yīng)的類(lèi)加載過(guò)程。
  在堆中為對(duì)象分配內(nèi)存有：“指針碰撞”（堆連續(xù)） 和 “空閑列表”（堆不連續(xù)）。由Java堆是否規(guī)整決定。

• 對(duì)象的內(nèi)存布局：對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的布局可以分為3塊區(qū)域。對(duì)象頭（Header），實(shí)例數(shù)據(jù)(Instance Data)和對(duì)齊填充（Padding）

  • 對(duì)象頭：分為兩部分
    ①第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼，GC分代年齡等
    ②另一部分是類(lèi)型指針，即對(duì)象指向它的類(lèi)元數(shù)據(jù)的指針。虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類(lèi)的實(shí)例。

  • 實(shí)例數(shù)據(jù)：是對(duì)象真正存儲(chǔ)的有效信息，也是在程序代碼中所定義的各種類(lèi)型的字段內(nèi)容

  • 對(duì)齊填充：起著占位符的作用。由于HotSpot VM的自動(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對(duì)象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，也就是對(duì)象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。而對(duì)象對(duì)不正好是8字節(jié)的倍數(shù)。因此，當(dāng)對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)部分沒(méi)有對(duì)齊時(shí)，就需要通過(guò)對(duì)齊填充來(lái)補(bǔ)全。

內(nèi)存回收GC

前面內(nèi)存模型講到5個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域，其中程序計(jì)數(shù)器，虛擬機(jī)棧，本地方法棧3個(gè)區(qū)域隨線程而生，隨線程而滅，棧中的棧幀隨著方法的進(jìn)入和退出而有條不紊地執(zhí)行著出棧和入棧操作。在這幾個(gè)區(qū)域就不需要過(guò)多考慮內(nèi)存回收問(wèn)題，因?yàn)榉椒ńY(jié)束或者線程結(jié)束時(shí)，內(nèi)存自然就跟著回收了。而Java堆和方法區(qū)則不一樣，這部分內(nèi)存的分配和回收都是動(dòng)態(tài)的。

垃圾對(duì)象如何確定？
Java堆中存放著幾所所有的對(duì)象實(shí)例，垃圾收集器在對(duì)堆進(jìn)行回收前，首先需要確定哪些對(duì)象還"活著"，哪些已經(jīng)"死亡"，也就是不會(huì)被任何途徑使用的對(duì)象。 對(duì)象存活判定方法：

• 引用計(jì)數(shù)算法

引用計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效率較高，在大部分情況下是一個(gè)不錯(cuò)的算法。其原理是：給對(duì)象添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個(gè)地方引用該對(duì)象時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)引用失效時(shí)，計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器值為0時(shí)表示該對(duì)象不再被使用。需要注意的是：引用計(jì)數(shù)法很難解決對(duì)象之間相互循環(huán)引用的問(wèn)題，主流Java虛擬機(jī)沒(méi)有選用引用計(jì)數(shù)法來(lái)管理內(nèi)存。

• 可達(dá)性分析算法

這個(gè)算法的基本思路就是通過(guò)一系列的稱為“GC Roots”的對(duì)象作為起始點(diǎn)，從這些節(jié)點(diǎn)開(kāi)始向下搜索，搜索所走過(guò)的路徑稱為引用鏈（Reference Chain），當(dāng)一個(gè)對(duì)象到GC Roots沒(méi)有任何引用鏈相連（用圖論的話來(lái)說(shuō)，就是從GC Roots到這個(gè)對(duì)象不可達(dá)）時(shí)，則證明此對(duì)象是不可用的。如圖所示，對(duì)象object 5、object 6、object 7雖然互相有關(guān)聯(lián)，但是它們到GC Roots是不可達(dá)的，所以它們將會(huì)被判定為是可回收的對(duì)象。

可達(dá)性分析算法

在Java語(yǔ)言中，可作為GC Roots的對(duì)象包括下面幾種：
①虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對(duì)象。
②方法區(qū)中類(lèi)靜態(tài)屬性引用的對(duì)象。
③方法區(qū)中常量引用的對(duì)象。
④本地方法棧中JNI（即一般說(shuō)的Native方法）引用的對(duì)象。

即使在可達(dá)性分析算法中不可達(dá)的對(duì)象，也并非是“非死不可”的，這時(shí)候它們暫時(shí)處于“緩刑”階段，要真正宣告一個(gè)對(duì)象死亡，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過(guò)程：如果對(duì)象在進(jìn)行可達(dá)性分析后發(fā)現(xiàn)沒(méi)有與GC Roots相連接的引用鏈，那它將會(huì)被第一次標(biāo)記并且進(jìn)行一次篩選，篩選的條件是此對(duì)象是否有必要執(zhí)行finalize()方法。當(dāng)對(duì)象沒(méi)有覆蓋finalize()方法，或者finalize()方法已經(jīng)被虛擬機(jī)調(diào)用過(guò)，虛擬機(jī)將這兩種情況都視為“沒(méi)有必要執(zhí)行”。

程序中可以通過(guò)覆蓋finalize()來(lái)一場(chǎng)"驚心動(dòng)魄"的自我拯救過(guò)程，但是，這只有一次機(jī)會(huì)。

/**  
 * 此代碼演示了兩點(diǎn)：  
 * 1.對(duì)象可以在被GC時(shí)自我拯救。  
 * 2.這種自救的機(jī)會(huì)只有一次，因?yàn)橐粋€(gè)對(duì)象的finalize()方法最多只會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用一次  
 * @author zzm  
 */  
public class FinalizeEscapeGC {  
 
  public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;  
 
  public void isAlive() {  
   System.out.println("yes, i am still alive :)");  
  }  
 
  @Override  
  protected void finalize() throws Throwable {  
   super.finalize();  
   System.out.println("finalize mehtod executed!");  
   FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;  
  }  
 
  public static void main(String[] args) throws Throwable {  
   SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();  
 
   //對(duì)象第一次成功拯救自己  
   SAVE_HOOK = null;  
   System.gc();  
   //因?yàn)閒inalize方法優(yōu)先級(jí)很低，所以暫停0.5秒以等待它  
   Thread.sleep(500);  
   if (SAVE_HOOK != null) {  
    SAVE_HOOK.isAlive();  
   } else {  
    System.out.println("no, i am dead :(");  
   }  
 
   //下面這段代碼與上面的完全相同，但是這次自救卻失敗了  
   SAVE_HOOK = null;  
   System.gc();  
   //因?yàn)閒inalize方法優(yōu)先級(jí)很低，所以暫停0.5秒以等待它  
   Thread.sleep(500);  
   if (SAVE_HOOK != null) {  
    SAVE_HOOK.isAlive();  
   } else {  
    System.out.println("no, i am dead :(");  
   }  
  }  
} 



運(yùn)行結(jié)果為：
finalize mehtod executed!  
yes, i am still alive :)  
no, i am dead :(

任何一個(gè)對(duì)象的finalize()方法都只會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用一次，如果對(duì)象面臨下一次回收，它的finalize()方法不會(huì)被再次執(zhí)行。因此第二段代碼的自救行動(dòng)失敗了。

前面的算法講的是如何判定垃圾對(duì)象，判定完后則該如何處理進(jìn)行垃圾回收？

典型的垃圾回收算法

1.Mark-Sweep（標(biāo)記-清除）算法

這是最基礎(chǔ)的垃圾回收算法，之所以說(shuō)它是最基礎(chǔ)的是因?yàn)樗钊菀讓?shí)現(xiàn)，思想也是最簡(jiǎn)單的。標(biāo)記-清除算法分為兩個(gè)階段：標(biāo)記階段和清除階段。標(biāo)記階段的任務(wù)是標(biāo)記出所有需要被回收的對(duì)象，清除階段就是回收被標(biāo)記的對(duì)象所占用的空間。具體過(guò)程如下圖所示：

標(biāo)記-清除

從圖中可以很容易看出標(biāo)記-清除算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，但是有一個(gè)比較嚴(yán)重的問(wèn)題就是容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，碎片太多可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)過(guò)程中需要為大對(duì)象分配空間時(shí)無(wú)法找到足夠的空間而提前觸發(fā)新的一次垃圾收集動(dòng)作。

2.Copying（復(fù)制）算法

為了解決Mark-Sweep算法的缺陷，Copying算法就被提了出來(lái)。它將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活著的對(duì)象復(fù)制到另外一塊上面，然后再把已使用的內(nèi)存空間一次清理掉，這樣一來(lái)就不容易出現(xiàn)內(nèi)存碎片的問(wèn)題。具體過(guò)程如下圖所示：

復(fù)制

這種算法雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)行高效且不容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，但是卻對(duì)內(nèi)存空間的使用做出了高昂的代價(jià)，因?yàn)槟軌蚴褂玫膬?nèi)存縮減到原來(lái)的一半。

很顯然，Copying算法的效率跟存活對(duì)象的數(shù)目多少有很大的關(guān)系，如果存活對(duì)象很多，那么Copying算法的效率將會(huì)大大降低。

3.Mark-Compact（標(biāo)記-整理）算法

為了解決Copying算法的缺陷，充分利用內(nèi)存空間，提出了Mark-Compact算法。該算法標(biāo)記階段和Mark-Sweep一樣，但是在完成標(biāo)記之后，它不是直接清理可回收對(duì)象，而是將存活對(duì)象都向一端移動(dòng)，然后清理掉端邊界以外的內(nèi)存。具體過(guò)程如下圖所示：

標(biāo)記-整理

4.Generational Collection（分代收集）算法

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根據(jù)對(duì)象存活的生命周期將內(nèi)存劃分為若干個(gè)不同的區(qū)域。一般情況下將堆區(qū)劃分為老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），老年代的特點(diǎn)是每次垃圾收集時(shí)只有少量對(duì)象需要被回收，而新生代的特點(diǎn)是每次垃圾回收時(shí)都有大量的對(duì)象需要被回收，那么就可以根據(jù)不同代的特點(diǎn)采取最適合的收集算法。

目前大部分垃圾收集器對(duì)于新生代都采取Copying算法，因?yàn)樾律忻看卫厥斩家厥沾蟛糠謱?duì)象，也就是說(shuō)需要復(fù)制的操作次數(shù)較少，但是實(shí)際中并不是按照1：1的比例來(lái)劃分新生代的空間的，一般來(lái)說(shuō)是將新生代劃分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間（一般為8:1:1），每次使用Eden空間和其中的一塊Survivor空間，當(dāng)進(jìn)行回收時(shí)，將Eden和Survivor中還存活的對(duì)象復(fù)制到另一塊Survivor空間中，然后清理掉Eden和剛才使用過(guò)的Survivor空間。

而由于老年代的特點(diǎn)是每次回收都只回收少量對(duì)象，一般使用的是Mark-Compact標(biāo)記-整理算法。

參考資料：《深入理解Java虛擬機(jī)》2章和3章內(nèi)容