JVM原理及调优（2）——内存管理

Myth丶恋晨 2022-07-14 00:45 146阅读 0赞

系列文章规划：

1.  [JVM原理及调优（1）——内存模型][JVM_1]
2.  [JVM原理及调优（2）——内存管理][JVM_2]
3.  [JVM原理及调优（3）——编译机制][JVM_3]
4.  [JVM原理及调优（4）——类加载机制][JVM_4]
5.  [JVM原理及调优（5）——垃圾回收和调优][JVM_5]
6.  [JVM原理及调优（6）——G1收集器及G1日志分析][JVM_6_G1_G1]
7.  [JVM原理及调优（7）——JDK常用内置工具][JVM_7_JDK]

--------------------

*  1. 内存区域
 *  2. 垃圾回收
    
     *  如何判断对象不可达？
     *  什么是引用？
     *  JVM是如何回收的？

# 1. 内存区域 #

JVM内存包括以下运行时数据区域：

*  **程序计数器**。使用的内存很小，线程私有，可看作是当前线程所执行字节码的行号指示器。JVM规范中唯一一个没有规定OutOfMemoryError的区域。
 *  **栈**。线程私有，生命周期和线程相同。每个java方法执行时对应一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，进入方法时创建栈帧，出方法时销毁栈帧。线程请求的栈深度超过JVM允许的深度，抛出StackOverflowError。如果栈可以动态扩展，扩展时无法申请到足够内存，抛出OutOfMemoryError异常。
 *  **堆**。所有线程共享的内存区域。几乎所有的对象实例以及数组都在堆上分配。如果堆中没有足够内存完成实例分配，同时堆无又法扩展，抛出OutOfMemoryError异常。
 *  **方法区**。所有线程共享的内存区域。存储已被JVM加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。方法区无法满足内存分配需求时，抛出OutOfMemoryError异常。
 *  **本地方法栈**。和JVM栈作用类似，区别在于本地方法栈为JVM使用到的Native方法服务。和JVM栈一样会出现StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

另外，需要注意直接内存（Direct Memory），直接内存不是JVM规范定义的内存区域。但这部分内存也经常使用（如NIO使用Native函数库直接分配堆外内存），可能导致OutOfMemoryError异常。

# 2. 垃圾回收 #

堆为新对象分配存储空间，如果分配了空间，而又不回收空间，空间迟早会被用完，然后OutOfMemoryError。Java并不在代码层提供内存释放的API，而是由JVM去自主清理内存，将**不可达的对象**清理掉，这个过程就叫GC。

## 如何判断对象不可达？ ##

如何判断对象不可达？最经典的是**引用计数算法**，给对象中添加一个引用计数器，有地方引用它时，计数器值加1，引用失效时，计数器值减1，计数器值为0表示对象不再被使用，即不可达。当计数器在一段时间内保持为0时，该对象就认为是可以被回收了。但是，这个算法有明显的缺陷：当两个对象相互引用，但是二者已经没有作用时，按照常规，应该对其进行垃圾回收，但是其相互引用，又不符合垃圾回收的条件，因此无法完美处理这块内存清理。因此Sun的JVM并没有采用引用计数算法来进行垃圾回收。因此在java中，单纯使用引用计数法实现垃圾回收是不可行的。

目前主流的商用程序语言都是使用**可达性分析（也叫根搜索算法）** 来判定对象是否存活。基本思想是，设立若干种根对象（GC Roots）作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索路径成为**引用链**。对于一个对象，当任何一个GC Roots均没有引用链到该对象时，判定该对象不可达，可以被回收。JAVA中可以当做GC Roots的对象有以下几种：

1. 栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
    2. 方法区中的静态成员。
    3. 方法区中的常量引用的对象（全局变量）
    4. 本地方法栈中JNI（一般说的Native方法）引用的对象。
    注：第一和第四种都是指方法的本地变量表，第二种表达的意思比较清晰，第三种主要指的是声明为final的常量值。

## 什么是引用？ ##

JDK1.2之前，如果reference类型的数据中存储的数值代表的是另一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用，在这种引用定义下，对象只有被引用和未被引用两种状态，不能完整的描述不同用途的对象，如一些缓存对象：当内存空间足够时，保留在内存；如果垃圾回收之后，内存空间紧张，就抛弃这些对象。JDK1.2之后，引用概念得到扩展（按引用强度依次减弱）：

*  **强引用**。普遍存在，类似“Object obj = new Object();”的引用。强引用对象，GC不回收。
 *  **软引用**。SoftReference。系统内存溢出之前，GC回收软引用对象，回收后仍然没有足够内存，抛OutOfMemoryError异常。
 *  **弱引用**。WeakReference。弱引用对象只能生存到下一次GC之前。
 *  **虚引用**。PhantomReference。虚引用不对对象生存时间产生影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。其唯一目的是：虚引用对象在被GC时收到一个系统通知。

什么是**逃逸回收**？被判定不可达的对象，只是处于“缓刑”阶段，真正宣告对象死亡，至少需要经历两次标记过程：

可达性分析出的不可达对象会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选条件是该对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法以及被JVM调用过，JVM将这两种情况视为“没有必要执行”。

如果被判定为有必要执行finalize()方法，对象将被加入F-Queue队列中，然后由JVM自动建立的低优先级Finalizer线程去依次触发对象的finalize()方法，但不保证它运行结束。然后GC将对F-Queue中的对象进行二次小规模标记，如果在finalize()方法执行时，对象重新与引用链上的任何一个对象建立关联，二次标记时它将被移除出“即将回收”的集合，这就是“逃逸回收”。如果没有出现逃逸回收，那么对象就真被回收了。

## JVM是如何回收的？ ##

JVM自主GC是在**弱分代假设**的前提下设计的：

1. 大部分新对象立即不可达；
    2. 只存在少量old对象对young对象的引用。

为了保证这两个假设的有效性，HotSpot VM 将Heap分为两类区域：

*  **Young Generation**。绝大多数新对象会被分配到这里，由于大部分对象在创建后会立即不可达，所以很多对象被创建在新生代，然后消失。对象从该区消失的过程叫“minor GC”或“young GC”。
    
    Young Generation又被分为3个区Eden、From和To。执行如下：
    
        1. 绝大多数New Object会存放在Eden；
        2. Eden满，或者新对象大小 > Eden所剩空间，Eden执行GC，GC后存活的对象被移动到From；
        3. 此后Eden执行GC后幸存的对象会被堆积在From；
        4. 当From饱和，From执行GC，GC幸存的对象会被移动到To，然后清空From，并将To置为From，From置为To；
        5. 在以上步骤中重复几次依然存活的对象，就会被移动到Old Generation。
 *  **Old Generation**。从Young Generation幸存下来的对象移动到该区。对象从该区消失的过程叫“major GC”或“full GC”通常该区比Young Generation要大，发生GC的频率要比Young Generation小。Old Generation的GC事件基本上是在空间已满时发生，执行的过程根据GC类型不同而不同。

方法区如何进行回收？JVM规范不要求对方法区进行GC，而且方法区GC性价比很低。HotSpot JVM的永久代是有GC的  
，**永久代GC**主要回收废弃常量和无用类。回收废弃常量和回收堆对象类似，无引用时回收。JVM可以对无用类进行回收，判定无用类需要满足三个条件：

1. 该类所有实例均已被回收。
    2. 加载该类的ClassLoader已被回收。
    3. 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

参考文献

1.  [JVM自动内存管理：内存区域基础概念（视频）][JVM]
2.  [JDK,JRE,JVM区别与联系][JDK_JRE_JVM]
3.  [Java虚拟机的内存组成以及堆内存介绍][Java]
4.  [Java之美\[从菜鸟到高手演变\]之JVM内存管理及垃圾回收][Java_JVM]
5.  [Java堆内存与栈内存的区别][Java 1]
6.  [Java 堆和栈的区别）][Java 2]

[JVM_1]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53264262
[JVM_2]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53264268
[JVM_3]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53264282
[JVM_4]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53264298
[JVM_5]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/52858283
[JVM_6_G1_G1]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53170138
[JVM_7_JDK]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53284586
[JVM]: http://www.jikexueyuan.com/course/1793.html
[JDK_JRE_JVM]: http://www.hollischuang.com/archives/78
[Java]: http://www.hollischuang.com/archives/80
[Java_JVM]: http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8214365
[Java 1]: http://blog.yuantops.com/tech/Java-Heap-vs-Stack-memory
[Java 2]: http://my.oschina.net/leejun2005/blog/486581#OSC_h1_12