Java之美[从菜鸟到高手演变]之JVM内存管理及垃圾回收

  Java之美[从菜鸟到高手演变]之JVM内存管理及垃圾回收。很多Java面试的时候，都会问到有关Java垃圾回收的问题，提到垃圾回收肯定要涉及到JVM内存管理机制，Java语言的执行效率一直被C、C++程序员所嘲笑，其实，事实就是这样，Java在执行效率方面确实很低，一方面，Java语言采用面向对象思想，这也决定了其必然是开发效率高，执行效率低。另一方面，Java语言对程序员做了一个美好的承诺：程序员无需去管理内存，因为JVM有垃圾回收(GC)，会去自动进行垃圾回收。

其实不然：

1、垃圾回收并不会按照程序员的要求，随时进行GC。

2、垃圾回收并不会及时的清理内存，尽管有时程序需要额外的内存。

3、程序员不能对垃圾回收进行控制。

因为上面这些事实，以致我们在写程序的时候，只能根据垃圾回收的规律，合理安排内存，这就要求我们必须彻底了解JVM的内存管理机制，这样才能随心所欲，将程序控制于鼓掌之中!本章系Java之美[从菜鸟到高手演变]系列之JVM内存管理及垃圾回收，学完本章知识，读者对JVM就会有基本的了解。

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一、JVM内存的构

Java虚拟机会将内存分为几个不同的管理区，这些区域各自有各自的用途，根据不同的特点，承担不同的任务以及在垃圾回收时运用不同的算法。总体分为下面几个部分：

程序计数器(Program Counter Register)、JVM虚拟机栈(JVM Stacks)、本地方法栈(Native Method Stacks)、堆(Heap)、方法区(Method Area)

如下图：

 

 

1、程序计数器(Program Counter Register)

这是一块比较小的内存，不在Ram上，而是直接划分在CPU上的，程序员无法直接操作它，它的作用是：JVM在解释字节码文件(.class)时，存储当前线程所执行的字节码的行号，只是一种概念模型，各种JVM所采用的方式不同，字节码解释器工作时，就是通过改变程序计数器的值来选取下一条要执行的指令，分支、循环、跳转、等基础功能都是依赖此技术区完成的。还有一种情况，就是我们常说的Java多线程方面的，多线程就是通过现程轮流切换而达到的，同一时刻，一个内核只能执行一个指令，所以，对于每一个程序来说，必须有一个计数器来记录程序的执行进度，这样，当现程恢复执行的时候，才能从正确的地方开始，所以，每个线程都必须有一个独立的程序计数器，这类计数器为线程私有的内存。如果一个线程正在执行一个Java方法，则计数器记录的是字节码的指令的地址，如果执行的一个Native方法，则计数器的记录为空，此内存区是唯一一个在Java规范中没有任何OutOfMemoryError情况的区域。

2、JVM虚拟机栈(JVM Stacks)

JVM虚拟机栈就是我们常说的堆栈的栈(我们常常把内存粗略分为堆和栈)，和程序计数器一样，也是线程私有的，生命周期和线程一样，每个方法被执行的时候会产生一个栈帧，用于存储局部变量表、动态链接、操作数、方法出口等信息。方法的执行过程就是栈帧在JVM中出栈和入栈的过程。局部变量表中存放的是各种基本数据类型，如boolean、byte、char、等8种，及引用类型(存放的是指向各个对象的内存地址)，因此，它有一个特点：内存空间可以在编译期间就确定，运行期不在改变。这个内存区域会有两种可能的Java异常：StackOverFlowError和OutOfMemoryError。

3、本地方法栈(Native Method Stacks)

从名字即可看出，本地方法栈就是用来处理Java中的本地方法的，Java类的祖先类Object中有众多Native方法，如hashCode()、wait()等，他们的执行很多时候是借助于操作系统，但是JVM需要对他们做一些规范，来处理他们的执行过程。此区域，可以有不同的实现方法，向我们常用的Sun的JVM就是本地方法栈和JVM虚拟机栈是同一个。

4、堆(Heap)

堆内存是内存中最重要的一块，也是最有必要进行深究的一部分。因为Java性能的优化，主要就是针对这部分内存的。所有的对象实例及数组都是在堆上面分配的(随着JIT技术的逐渐成熟，这句话视乎有些绝对，不过至少目前还基本是这样的)，可通过-Xmx和-Xms来控制堆的大小。JIT技术的发展产生了新的技术，如栈上分配和标量替换，也许在不久的几年里，即时编译会诞生及成熟，那个时候，“所有的对象实例及数组都是在堆上面分配的”这句话就应该稍微改改了。堆内存是垃圾回收的主要区域，所以在下文垃圾回收板块会重点介绍，此处只做概念方面的解释。在32位系统上最大为2G，64位系统上无限制。可通过-Xms和-Xmx控制，-Xms为JVM启动时申请的最小Heap内存，-Xmx为JVM可申请的最大Heap内存。

5、方法区(Method Area)

方法区是所有线程共享的内存区域，用于存储已经被JVM加载的类信息、常量、静态变量等数据，一般来说，方法区属于持久代(关于持久代，会在GC部分详细介绍，除了持久代，还有新生代和旧生代)，也难怪Java规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它不是堆。方法区的垃圾回收比较棘手，就算是Sun的HotSpot VM在这方面也没有做得多么完美。此处引入方法区中一个重要的概念：运行时常量池。主要用于存放在编译过程中产生的字面量(字面量简单理解就是常量)和引用。一般情况，常量的内存分配在编译期间就能确定，但不一定全是，有一些可能就是运行时也可将常量放入常量池中，如String类中有个Native方法intern()<关于intern()的详细说明，请看另一篇文章：http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8093919>

此处补充一个在JVM内存管理之外的一个内存区：直接内存。在JDK1.4中新加入类NIO类，引入了一种基于通道与缓冲区的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，即我们所说的直接内存，这样在某些场景中会提高程序的性能。

二、垃圾回收

有句话说的好：Java和C++之间有一堵有内存分配和垃圾回收技术围成的墙，墙外的人想进去，墙里的人想出去!这句话的意思，请读者自己去琢磨。总的来说，C、C++程序员有时苦于内存泄露，内存管理是件令人头痛的事儿，但是Java程序员呢，又羡慕C++程序员，自己可以控制一切，这样就不会在内存管理方面显得束手无策，的却如此，作为Java程序员我们很难去控制JVM的内存回收，只能根据它的原理去适应，尽量提高程序的性能。下面开始讲解Java垃圾回收，即Garbage Collection,GC。从以下四个方面进行：

1、为什么要进行垃圾回收?

随着程序的运行，内存中存在的实例对象、变量等信息占据的内存越来越多，如果不及时进行垃圾回收，必然会带来程序性能的下降，甚至会因为可用内存不足造成一些不必要的系统异常。

2、哪些“垃圾”需要回收?

在我们上面介绍的五大区中，有三个是不需要进行垃圾回收的：程序计数器、JVM栈、本地方法栈。因为它们的生命周期是和线程同步的，随着线程的销毁，它们占用的内存会自动释放，所以只有方法区和堆需要进行GC。具体到哪些对象的话，简单概况一句话：如果某个对象已经不存在任何引用，那么它可以被回收。通俗解释一下就是说，如果一个对象，已经没有什么作用了，就可以被当废弃物被回收了。

3、什么时候进行垃圾回收?

根据一个经典的引用计数算法，每个对象添加一个引用计数器，每被引用一次，计数器加1，失去引用，计数器减1，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得了。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。而是采用一个叫：根搜索算法，如下图：

 

 

基本思想就是：从一个叫GC Roots的对象开始，向下搜索，如果一个对象不能到达GC Roots对象的时候，说明它已经不再被引用，即可被进行垃圾回收(此处 暂且这样理解，其实事实还有一些不同，当一个对象不再被引用时，并没有完全“死亡”，如果类重写了finalize()方法，且没有被系统调用过，那么系统会调用一次finalize()方法，以完成最后的工作，在这期间，如果可以将对象重新与任何一个和GC Roots有引用的对象相关联，则该对象可以“重生”，如果不可以，那么就说明彻底可以被回收了)，如上图中的Object5、Object6、Object7，虽然它们3个依然可能相互引用，但是总体来说，它们已经没有作用了，这样就解决了引用计数算法无法解决的问题。

补充引用的概念：JDK 1.2之后，对引用进行了扩充，引入了强、软、若、虚四种引用，被标记为这四种引用的对象，在GC时分别有不同的意义：

a> 强引用(Strong Reference).就是为刚被new出来的对象所加的引用，它的特点就是，永远不会被回收。

b> 软引用(Soft Reference).声明为软引用的类，是可被回收的对象，如果JVM内存并不紧张，这类对象可以不被回收，如果内存紧张，则会被回收。此处有一个问题，既然被引用为软引用的对象可以回收，为什么不去回收呢?其实我们知道，Java中是存在缓存机制的，就拿字面量缓存来说，有些时候，缓存的对象就是当前可有可无的，只是留在内存中如果还有需要，则不需要重新分配内存即可使用，因此，这些对象即可被引用为软引用，方便使用，提高程序性能。

c> 弱引用(Weak Reference).弱引用的对象就是一定需要进行垃圾回收的，不管内存是否紧张，当进行GC时，标记为弱引用的对象一定会被清理回收。

d> 虚引用(Phantom Reference).虚引用弱的可以忽略不计，JVM完全不会在乎虚引用，其唯一作用就是做一些跟踪记录，辅助finalize函数的使用。

最后总结，什么样的类需要回收呢?无用的类，何为无用的类?需满足如下要求：

1> 该类的所有实例对象都已经被回收。

2> 加载该类的ClassLoader已经被回收。

3> 该类对应的反射类java.lang.Class对象没有被任何地方引用。

4、如何进行垃圾回收?

本块内容以介绍垃圾回收算法为主，因为我们前面有介绍，内存主要被分为三块，新生代、旧生代、持久代。三代的特点不同，造就了他们所用的GC算法不同，新生代适合那些生命周期较短，频繁创建及销毁的对象，旧生代适合生命周期相对较长的对象，持久代在Sun HotSpot中就是指方法区(有些JVM中根本就没有持久代这中说法)。首先介绍下新生代、旧生代、持久代的概念及特点：

 

 

新生代：New Generation或者Young Generation。上面大致分为Eden区和Survivor区，Survivor区又分为大小相同的两部分：FromSpace 和ToSpace。新建的对象都是用新生代分配内存，Eden空间不足的时候，会把存活的对象转移到Survivor中，新生代的大小可以由-Xmn来控制，也可以用-XX:SurvivorRatio来控制Eden和Survivor的比例.

旧生代：Old Generation。用于存放新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象，例如缓存对象。旧生代占用大小为-Xmx值减去-Xmn对应的值。

持久代：Permanent Generation。在Sun的JVM中就是方法区的意思，尽管有些JVM大多没有这一代。主要存放常量及类的一些信息默认最小值为16MB，最大值为64MB，可通过-XX:PermSize及-XX:MaxPermSize来设置最小值和最大值。