Java內(nèi)存介紹

Java運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)分為下面幾個部分：

• 程序計數(shù)器；程序計數(shù)器是線程私有的，一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用是作為當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器

• Java虛擬機(jī)棧；虛擬機(jī)棧是線程私有的，它描述的是Java方法在執(zhí)行時方法的內(nèi)存模型
  虛擬機(jī)棧相關(guān)的兩個異常：

  • OutOfMemoryError；如果在動態(tài)擴(kuò)展時，線程無法申請到足夠的內(nèi)存，或無法創(chuàng)建新的線程，則會拋出該異常
  • StackOverflowError；如果方法請求的棧容量超過了JVM允許的最大容量（可通過-Xss參數(shù)進(jìn)行設(shè)置），則會拋出該異常

  棧里最重要的概念就是棧幀，棧幀是一種用于存放方法相關(guān)數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)結(jié)果的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，棧幀存儲了方法的局部變量表，操作數(shù)棧，動態(tài)連接和方法返回地址等信息，這四個部分作用如下：

  • 局部變量表，是一組變量值存儲空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量；需要注意的是相對于類變量兩次賦值過程（一次在準(zhǔn)備階段，賦予系統(tǒng)默認(rèn)初始值，另外一次在初始化階段，賦予程序邏輯定義的初始值），局部變量在定義的時候必須賦值，若未賦值則不能使用，所以在一個方法內(nèi)部定義變量時必須賦值，否則在調(diào)用處將編譯不通過
  • 操作數(shù)棧，它是一個后入先出棧，在方法剛開始執(zhí)行的時候，這個方法的操作數(shù)棧是空的，在方法的執(zhí)行過程中，會有各種字節(jié)碼指令往操作數(shù)棧中寫入和提取內(nèi)容，也就是入/出棧操作，例如做算數(shù)運(yùn)算的時候就是通過操作數(shù)棧來進(jìn)行
  • 動態(tài)鏈接，動態(tài)鏈接指的是指向運(yùn)行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了方法調(diào)用過程中的動態(tài)連接
  • 方法返回地址，這個比較好理解，就是為了幫助方法調(diào)用完成后回到其調(diào)用處，當(dāng)然異常退出的話是另外的處理機(jī)制

  棧幀的大小在編譯期就已經(jīng)確定，不會在運(yùn)行期改變，而棧幀中兩個最重要的概念就是局部變量表和操作數(shù)棧，局部變量表用于存儲方法參數(shù)以及方法執(zhí)行過程中的局部變量（基本類型，對象引用）；操作數(shù)棧用于存儲方法執(zhí)行過程中的參數(shù)和計算結(jié)果

• 本地方法棧；本地方法棧與Java虛擬機(jī)棧很相似，主要的不同點(diǎn)在于本地方法棧是給native方法使用的，另外很多虛擬機(jī)已經(jīng)將Java虛擬機(jī)棧和本地方法棧合二為一，如最常用的HotSpot虛擬機(jī)

• Java堆
  Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，他的作用就是存儲Java對象；一般來說不同的線程會在堆中被分配不同的線程緩沖區(qū)，以避免多個線程使用同一塊內(nèi)存區(qū)域?qū)е碌母偁?，這一類緩沖區(qū)被稱為TLAB（Thread Local Allocation Buffer），當(dāng)TLAB的空間不夠時，會加鎖并向堆申請新的內(nèi)存空間；Java堆的大小可以設(shè)計為固定大小，也可以設(shè)計為動態(tài)擴(kuò)展；如果Java堆的內(nèi)存已不足且沒有辦法申請更多的內(nèi)存，則會拋出OutOfMemoryError異常；對象的存儲模型一般有兩種形式，第一種是先通過棧的 reference指向堆里的對象實例，而這個對象實例數(shù)據(jù)又有一個指針指向方法區(qū)的對象類型數(shù)據(jù)：

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第二種是先通過棧的 reference指向堆里對象實例句柄池，這個句柄池里包含了指向?qū)嵗氐膶ο髮嵗龜?shù)據(jù)和指向方法區(qū)的對象類型數(shù)據(jù)；這兩種方式各有優(yōu)點(diǎn)，第一種reference直接就指向了對象，減少了一次指針指向，而第二種reference指向的句柄池指針不會隨著對象的移動而改變（Java垃圾回收時會移動對象的位置），而第二種就需要改變reference的指向

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可以通過-Xms和-Xmx來設(shè)置堆內(nèi)存的大小，可以通過設(shè)置-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError實現(xiàn)出現(xiàn)OutOfMemoryError異常時將異常信息保存至磁盤中

• 方法區(qū)
  方法區(qū)也稱”永久代” 、“非堆”， 它用于存儲類相關(guān)的信息（版本，屬性，方法，接口，final常量，靜態(tài)變量），是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域。默認(rèn)最小值為16MB，最大值為64MB，可以通過-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 參數(shù)限制方法區(qū)的大小；在方法區(qū)中，專門劃出了一部分空間作為運(yùn)行時常量池，它是方法區(qū)的一部分，Class文件中除了有類的版本、屬性、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池，用于存放編譯器生成的各種符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后放到方法區(qū)的運(yùn)行時常量池中

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除了上面的5個部分以外，還有一類JVM相關(guān)的內(nèi)存空間稱之為：直接內(nèi)存；直接內(nèi)存并不是虛擬機(jī)內(nèi)存的一部分，也不是Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域。如JDK1.4中新加入的NIO，引入了通道與緩沖區(qū)的IO方式，它可以調(diào)用Native方法直接分配堆外內(nèi)存，這個堆外內(nèi)存就屬于直接內(nèi)存，直接內(nèi)存的分配不會影響堆內(nèi)存的大小

Java內(nèi)存管理

這里說的Java內(nèi)存分配主要指代的是對象的內(nèi)存分配，也就是堆的運(yùn)作機(jī)制；在JVM中，一般從對象存活時間角度上將存儲空間分為

• 新生代，新生代由一塊Eden space和一塊Survivor space組成；其中Survivor space又被劃分為兩塊：From space和To space或Survivor 0 和Survivor 1；新創(chuàng)建的對象都會存儲在新生代中（除了一些比較大的對象會直接創(chuàng)建至老年代）；與新生代對應(yīng)的回收稱之為 minor garbage collection （minor GC），當(dāng)Eden space不夠用時，JVM就會啟動minor GC并將依舊存活的對象復(fù)制至Survivor space，經(jīng)過特定的GC次數(shù)后（可以通過-XX:MaxTenuringThreshold設(shè)置），如果對象依然存活，則復(fù)制至老年代。
  另外說說這里為什么會把Survivor space分為兩個區(qū)（當(dāng)然也有的JVM模型是不分的），這其實和minor GC（回收新生代對象）的復(fù)制-清除算法有關(guān)（該算法可參考本文"垃圾收集算法"章節(jié)），首先，eden區(qū)滿了，觸發(fā)GC，將存活對象復(fù)制到Survivor區(qū)等待其老去，待到eden區(qū)再一次滿以后，GC會再次清理eden區(qū)和Survivor區(qū)，并將eden中存活的對象復(fù)制到Survivor區(qū)，若Survivor區(qū)只有一個，那么在復(fù)制前（或者后）需要對Survivor區(qū)進(jìn)行碎片處理，而由于碎片處理效率不高，所以索性將Survivor區(qū)分成兩個，每次都直接進(jìn)行復(fù)制（eden和Survivor 0復(fù)制到Survivor 1，Survivor 0清空，下一次就是eden和Survivor 1復(fù)制到Survivor 0，Survivor 1清空），簡單方便效率高
• 老年代，也稱Tenured space，用于存放經(jīng)過多次minor garbage collection任然存活的對象，例如緩存對象，新建的對象也有可能直接進(jìn)入老年代，主要有兩種情況：①.大對象，可通過啟動參數(shù)設(shè)置-XX:PretenureSizeThreshold=1024(單位為字節(jié)，默認(rèn)為0)來代表超過多大時就不在新生代分配，而是直接在老年代分配。②.大的數(shù)組對象，切數(shù)組中無引用外部對象。 老年代所占的內(nèi)存大小為-Xmx對應(yīng)的值減去-Xmn對應(yīng)的值；與老年代對應(yīng)的回收稱之為major garbage collection（full GC），當(dāng)老年代的空間不夠用時，就會執(zhí)行full GC；需要注意的是full GC比minor GC所需的代價要大得多
• 永久代，即方法區(qū)，永久代這個概念其實屬于HotSpot發(fā)明的，其他的虛擬機(jī)大都沒這個概念，另外HotSpot自身也計劃在后續(xù)的發(fā)展中拋棄永久代這個概念，在Java 8中已經(jīng)通過Metaspace來代替永久代
  其中新生代與老年代分別處于堆中，而永久代處于方法區(qū)中

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對象的生存或死亡

與內(nèi)存分配對應(yīng)的是內(nèi)存的回收，Java的內(nèi)存回收依靠的是垃圾收集器，它主要負(fù)責(zé)將已經(jīng)沒有存在意義的內(nèi)存占用進(jìn)行回收，以保證后續(xù)其他的內(nèi)存使用，這里涉及到兩點(diǎn)知識：

1. 如何判斷對象已經(jīng)沒有存在意義
2. 如何進(jìn)行內(nèi)存回收

首先來看垃圾收集器是如何判斷對象的生或死的，一般有兩種方式判斷一個對象是否應(yīng)該繼續(xù)存活：

1. 引用計數(shù)算法，即有地方持有該對象的引用就在該對象的引用計數(shù)器上加1，反之，當(dāng)引用失效時就減1；那么該引用計數(shù)器為0的對象就是不可能再被使用的

2. 可達(dá)性分析算法，這個算法的基本思路是通過一系列稱為「GC Roots」的對象作為起始點(diǎn)，從這些節(jié)點(diǎn)開始往下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈，當(dāng)一個對象到「GC Roots」沒有任何引用鏈相連（就是「GC Roots」到這個對象不可達(dá)）則證明此對象是不可用的，如下圖，Object 5，6，7皆為不可達(dá)對象

   
   
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   在Java中作為「GC Roots」的有四類對象

• 虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
• 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性應(yīng)用的對象
• 方法區(qū)中常量引用的對象
• 本地方法棧中JNI（即一般說的Native方法）引用的對象

Java使用的就是可達(dá)性分析算法，其實對于引用計數(shù)算法有一個比價明顯的問題，就是對于兩個或多個對象的循環(huán)引用，它是無能為力的；那么被可達(dá)性算法標(biāo)記為不可達(dá)的對象是否就一定會被回收掉呢？其實也不是，要真正宣告一個對象的死亡，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過程：

1. 如果對象在經(jīng)過可達(dá)性分析發(fā)現(xiàn)沒有與「GC Roots」相連，那么它將被第一次標(biāo)記并進(jìn)行一次篩選，篩選的條件是該對象是否有必要執(zhí)行finalize()方法，如果有必要（如果重寫了就需要執(zhí)行）就執(zhí)行，此時是可以在finalize()中將對象進(jìn)行最后的挽救的（重新對其進(jìn)行引用），但是不建議這樣做，一是因為這種垂死掙扎的方式?jīng)]必要，二是因為Java本身并不保證finalize()何時執(zhí)行或一定能執(zhí)行完成
2. 經(jīng)過第一步后，會再次對這些對象進(jìn)行標(biāo)記，若此時沒有在finalize()中對對象進(jìn)行重新引用，那么就可以標(biāo)記為「確定死亡」了

最后說說方法區(qū)（或永久代）的回收，方法區(qū)的垃圾收集主要針對兩部分內(nèi)容：廢棄常量和無用的類?；厥諒U棄常量與回收J(rèn)ava堆中的對象很類似，以常量池中的字符串回收為例，如果字符串常量"abc"在當(dāng)前的系統(tǒng)中沒有一個對應(yīng)的String對象對其進(jìn)行引用，那么這個常量將允許被回收；而判斷一個類是否是"無用的類"則較苛刻，它需要滿足幾個條件：

1. 該類的所有實例都被回收，也就是Java堆中不存在該類的任何實例
2. 加載該類的ClassLoader已被回收
3. 該類對應(yīng)的java.lang.Class對象沒有在任何地方被引用，無法再任何地方通過反射訪問該類的方法

只有滿足這三個條件，該類才允許被回收，但需要注意的是方法區(qū)的回收不是一定會執(zhí)行的，而且JVM的規(guī)范里也沒有強(qiáng)制性的要求說需要實現(xiàn)這一部分區(qū)域的回收機(jī)制，對于一些運(yùn)用運(yùn)行時代碼生成技術(shù)如反射，動態(tài)代理，CGLib等這種頻繁自定義ClassLoader的場景需要虛擬機(jī)具備類卸載的功能，以保證方法區(qū)不會溢出

垃圾收集算法

垃圾收集算法主要有下列幾種：

1. 標(biāo)記-清除算法，正如它的名字一樣算法分為"標(biāo)記"和"清除"兩個階段，這個算法是最基礎(chǔ)的收集算法，后續(xù)的收集算法都是基于這種思路并對其不足進(jìn)行改進(jìn)，它的效率不高，同時會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片

   
   
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2. 復(fù)制-收集算法，它將可用內(nèi)存分為兩塊，每次使用其中一塊，當(dāng)這塊內(nèi)存用完了，就將還存活的對象復(fù)制到另外一塊上面，然后把已使用的內(nèi)存空間一次性清理掉；它的主要優(yōu)點(diǎn)是不用考慮內(nèi)存碎片的問題，但是也存在著實際使用內(nèi)存變小的不足

   
   
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3. 標(biāo)記-整理算法，這種算法的過程與"標(biāo)記-清除算法"類似，但后續(xù)步驟不是直接對可回收對象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對象都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存

   
   
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4. 分代收集算法，這是當(dāng)前主流JVM采用的算法，這種算法沒有什么新思想，只是根據(jù)對象存活周期不同將內(nèi)存劃分為幾塊（前面已有介紹），在新生代中，每次垃圾收集時都發(fā)現(xiàn)有大批對象死去，只有少量存活，那就選用復(fù)制算法，只需要付出少量的復(fù)制成本就可以完成收集，而老年代中因為對象存活率高，沒有額外空間進(jìn)行分配擔(dān)保，就采用"標(biāo)記-清除算法"或"標(biāo)記-整理算法"進(jìn)行回收

最后，推薦兩篇關(guān)于JVM內(nèi)存相關(guān)性能調(diào)優(yōu)的文章

• 成為Java GC專家（5）—Java性能調(diào)優(yōu)原則
• JVM 優(yōu)化經(jīng)驗總結(jié)