目錄

• 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域
• 垃圾回收算法
• 垃圾收集器

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

• 線程私有區(qū)域
  • 程序計(jì)數(shù)器
  • Java 虛擬機(jī)棧
  • 本地方法棧
• 線程共享區(qū)域
  • Java 堆
  • 方法區(qū)
  • 運(yùn)行時(shí)常量池（屬于方法區(qū)的一部分）

線程私有區(qū)域

程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)算器來完成。

由于 Java 虛擬機(jī)的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器（對于多核處理器來說是一個(gè)內(nèi)核）都只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。故為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，所以這塊內(nèi)存區(qū)域是"線程私有"的區(qū)域。

Java 虛擬機(jī)棧

Java 虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame）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。每個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程。

本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，它們之間的區(qū)別不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)棧執(zhí)行 Java 方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的 Native 方法服務(wù)。

線程共享區(qū)域

Java 堆

對于大多數(shù)應(yīng)用來說，Java 堆（Java Heap）是 Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。Java 堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)是創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實(shí)例，幾乎所有的對象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。這一點(diǎn)在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中的描述是：所有對象的實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配，但是隨著 JIT 編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換優(yōu)化技術(shù)將會(huì)導(dǎo)致一些微妙的變化發(fā)生，所有對象都分配在堆上也漸漸變得沒那么"絕對"了。

方法區(qū)（非堆）

方法區(qū)（Method Area）與 Java 堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖然 Java 虛擬機(jī)規(guī)范把 Java 方法區(qū)描述為堆的一個(gè)邏輯部分，但是它卻有一個(gè)別名叫做 Non Heap（非堆），目的應(yīng)該是與 Java 堆區(qū)分開來。

方法區(qū)也被開發(fā)者成為"永久代"（Permanent Generation）。

運(yùn)行時(shí)常量池（屬于方法區(qū)的一部分）

Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息就是常量池（Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容將在類加載后進(jìn)入方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中存放。

垃圾回收算法

標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）算法

如同名字一樣，算法分為"標(biāo)記"和"清除"兩個(gè)階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對象，它的標(biāo)記過程其實(shí)在前一節(jié)講述對象標(biāo)記判定時(shí)已經(jīng)介紹過了。之所以說它是最基礎(chǔ)的算法，是因?yàn)楹罄m(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)而得到的。

它的主要不足有兩個(gè)：一個(gè)是效率問題，標(biāo)記和清除兩個(gè)過程的效率都不高；另一個(gè)是空間問題，標(biāo)記清除之后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，空間碎片太多可能會(huì)導(dǎo)致以后在程序運(yùn)行過程中需要分配較大對象時(shí)，無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集動(dòng)作。

復(fù)制算法

為了解決效率問題，復(fù)制（Copying）算法出現(xiàn)了，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，就將還存活著的對象復(fù)制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。這樣就是每次只對其中一塊內(nèi)存進(jìn)行回收，內(nèi)存分配時(shí)也就不用考慮內(nèi)存碎片等復(fù)雜情況，只要移動(dòng)堆頂指針，按順序分配內(nèi)存即可，實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)行高效。

這種算法的代價(jià)是將內(nèi)存縮小為了原來的一半，代價(jià)很大。這種算法也在特殊場景中會(huì)有很大用處，比如回收新生代的時(shí)候，IBM 公司的專門研究表明，新生代的對象 98% 是"朝生夕滅"的，所以不需要按照 1:1 的比例來劃分內(nèi)存區(qū)域，而是將內(nèi)存分為一塊較大的 Eden 空間和兩塊較小的 Survivor 空間，每次使用 Eden 空間和其中一塊 Survivor 空間。當(dāng)回收時(shí)，將 Eden 空間和 Survivor 空間中還存活著的對象一次性地復(fù)制到另外一塊 Survivor 空間上，最后清理掉 Eden 和剛才使用過的 Survivor 空間。這里肯定有一個(gè)具體空間分配比例，HotSpot 虛擬機(jī)默認(rèn) Eden:Survivor 為 8:1，也就是每次新生代中可用內(nèi)存為整個(gè)新生代的 90%（80%+10%），只有 10% 的內(nèi)存會(huì)被"浪費(fèi)"。當(dāng)然，98% 的對象可回收只是一般場景下的數(shù)據(jù)，JVM 沒有辦法保證每次回收都只有不多于 10% 的對象存活，當(dāng) Survivor 空間不夠用時(shí)，需要依賴其它內(nèi)存（這里指老年代）進(jìn)行分配擔(dān)保（Handle Promotion）。

內(nèi)存的分配擔(dān)保就好比我們現(xiàn)在使用支付寶里面的花唄，如果我們信譽(yù)很好，在 98% 的情況下都能按時(shí)償還，于是支付寶會(huì)默認(rèn)我們會(huì)在下一月也能按時(shí)按量的償還我們的預(yù)支，只需要有一個(gè)擔(dān)保人能保證如果我下次不能還款時(shí)，可以幫助你還錢，那支付寶就認(rèn)為我們預(yù)支花唄是沒有風(fēng)險(xiǎn)的。內(nèi)存的分配擔(dān)保也一樣，如果另外一塊 Survivor 空間沒有足夠空間存放上一次新生代收集下來的存活對象時(shí)，這些對象將直接通過分配擔(dān)保機(jī)制進(jìn)入老年代。具體怎么分配擔(dān)保會(huì)在后續(xù)分析。

標(biāo)記-整理算法

復(fù)制收集算法在對象存活率較高時(shí)就要進(jìn)行較多的復(fù)制操作，效率將會(huì)變低。更關(guān)鍵的時(shí)，如果不想浪費(fèi) 50% 的空間，就需要有額外的空間進(jìn)行分配擔(dān)保，以應(yīng)對使用的內(nèi)存中所有對象都 100% 存活的極端情況，所以在老年代一般不能直接選用復(fù)制算法。

根據(jù)老年代存活時(shí)間較長的特點(diǎn)，有人提出了另一種"標(biāo)記-整理"（Mark-Compact）的算法，標(biāo)記過程仍然與"標(biāo)記-清除"算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對可回收對象進(jìn)行清理，而是讓所有存活對象想一端移動(dòng)，然后直接清理掉邊界以外的內(nèi)存。

分代收集算法

這種算法沒有什么新的思想，只是根據(jù)對象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊。一般把 Java 堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據(jù)各個(gè)年代的特點(diǎn)采用最適當(dāng)?shù)乃惴ā?/p>

• 新生代：復(fù)制算法

  因?yàn)樵谛律校看卫厥諘r(shí)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，只需付出少量存活對象的復(fù)制成本就可以完成收集。

• 老年代：標(biāo)記-清理/標(biāo)記-整理

  因?yàn)槔夏甏鷮ο蟠婊盥矢?、沒有額外空間對它進(jìn)行分配擔(dān)保。

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