Java内存模型结构分为
堆用于存放对象实例和数组,由于堆是用来存放对象实例,因此堆也是垃圾收集器管理的主要区域,故也称为 GC堆。由于现在的垃圾收集器基本都采用分代收集算法,所以堆的内部结构只包含新生代和老年代
一、TLAB
TLAB 的存在是为了提升了对象内存分配的效率,JVM在内存新生代Eden Space中开辟了一小块线程私有的区域,称作TLAB(Thread Local Allocation Buffer,线程私有分配缓冲区),默认设定为占用Eden Space的1%
方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据
一、运行时常量池
运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用
二、方法区回收
方法区的内存回收目标主要是
1、常量池的回收
2、无用类的回收
虚拟机可以对满足下述3个条件的无用类进行回收
虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型,是线程私有的
下图为栈帧结构图:
虚拟机栈有两种异常情况:StackOverflowError和OutOfMemoryError
本地方法栈与Java虚拟机栈非常相似,也是线程私有的,其主要异同点如下
为什么需要程序计数器?
在多线程情况下,当线程数超过CPU数量或CPU内核数量时,线程之间就要根据时间片轮询抢夺CPU时间资源。也就是说,在任何一个确定的时刻,一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后能够恢复到正确的执行位置,每条线程都需要一个独立的程序计数器去记录其正在执行的字节码指令地址
程序计数器是线程私有的一块较小的内存空间,可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器
一、确定一个对象是否可以被回收
1、引用计数算法:引用计数算法是垃圾收集器中的早期策略,是通过判断对象的引用数量来决定对象是否可以被回收
2、 可达性分析算法:可达性分析算法是通过判断对象的引用链是否可达来决定对象是否可以被回收
可达性分析算法是从离散数学中的图论引入的,程序把所有的引用关系看作一张图,通过一系列的名为 “GC Roots” 的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain)。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连(用图论的话来说就是从 GC Roots 到这个对象不可达)时,则证明此对象是不可用的,如下图所示。在Java中,可作为 GC Root 的对象包括以下几种:
二、对象的创建
1、检查虚拟机是否加载了所要new的类,若没加载,则首先执行相应的类加载过程。虚拟机遇到new指令时,首先去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用,并且检查这个引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化过
2、在类加载检查通过后,对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定,虚拟机就会为新生对象分配内存。一般来说,根据Java堆中内存是否绝对规整,内存的分配有两种方式:
除了如何划分可用空间之外,还需要考虑修改指针 (该指针用于划分内存使用空间和空闲空间)时的线程安全问题,因为存在可能出现正在给对象A分配内存,指针还未修改,对象B又同时使用原来的指针分配内存的情况,解决这个问题有两种方案:
3、内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值。如果使用TLAB,也可以提前到TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初值就直接使用,程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值
4、在上面的工作完成之后,从虚拟机的角度来看,一个新的对象已经产生了,但从Java程序的视角来看,对象的创建才刚刚开始,此时会执行< init>方法把对象按照程序员的意愿进行初始化,从而产生一个真正可用的对象
三、对象的访问
对象的访问通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。在虚拟机规范中,reference类型中只规定了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用使用什么方式去定位、访问堆中的对象的具体位置。目前的主流的访问方式有使用句柄访问和直接指针访问:
一、标记清除算法
标记-清除算法分为标记和清除两个阶段。该算法首先从根集合进行扫描,对存活的对象标记,标记完毕后,再扫描整个空间中未被标记的对象并进行回收,如下图所示
标记-清除算法的主要不足有两个
二、复制算法
现在商用的虚拟机都采用复制算法来回收新生代,复制算法将可用内存按容量划分为大小相等的两块,每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了,就将还存活着的对象复制到另外一块上面,然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这种算法适用于对象存活率低的场景,比如新生代。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收,内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况,只要移动堆顶指针,按顺序分配内存即可,实现简单,运行高效。该算法示意图如下所示
三、标记整理算法
复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作,效率将会变低。更关键的是,如果不想浪费50%的空间,就需要有额外的空间进行分配担保,以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况,所以在老年代一般不能直接选用这种算法。标记整理算法的标记过程类似标记清除算法,但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理,而是让所有存活的对象都向一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存,类似于磁盘整理的过程,该垃圾回收算法适用于对象存活率高的场景(老年代),其作用原理如下图所示
四、分代收集算法
对于一个大型的系统,当创建的对象和方法变量比较多时,堆内存中的对象也会比较多,如果逐一分析对象是否该回收,那么势必造成效率低下。分代收集算法是基于这样一个事实:不同的对象的生命周期(存活情况)是不一样的,而不同生命周期的对象位于堆中不同的区域,因此对堆内存不同区域采用不同的策略进行回收可以提高 JVM 的执行效率。当代商用虚拟机使用的都是分代收集算法:新生代对象存活率低,就采用复制算法;老年代存活率高,就用标记清除算法或者标记整理算法。Java堆内存一般可以分为新生代、老年代和永久代三个模块,如下图所示
1、新生代(Young Generation)
新生代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象,一般情况下,所有新生成的对象首先都是放在新生代的。新生代内存按照 8:1:1 的比例分为一个eden区和两个survivor(survivor0,survivor1)区,大部分对象在Eden区中生成。在进行垃圾回收时,先将eden区存活对象复制到survivor0区,然后清空eden区,当这个survivor0区也满了时,则将eden区和survivor0区存活对象复制到survivor1区,然后清空eden和这个survivor0区,此时survivor0区是空的,然后交换survivor0区和survivor1区的角色(即下次垃圾回收时会扫描Eden区和survivor1区),即保持survivor0区为空,如此往复。特别地,当survivor1区也不足以存放eden区和survivor0区的存活对象时,就将存活对象直接存放到老年代。如果老年代也满了,就会触发一次FullGC,也就是新生代、老年代都进行回收。注意,新生代发生的GC也叫做MinorGC,MinorGC发生频率比较高,不一定等 Eden区满了才触发
2、老年代(Old Generation)
老年代存放的都是一些生命周期较长的对象,就像上面所叙述的那样,在新生代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象就会被放到老年代中。此外,老年代的内存也比新生代大很多(大概比例是1:2),当老年代满时会触发Major GC(Full GC),老年代对象存活时间比较长,因此FullGC发生的频率比较低
3、永久代(Permanent Generation)
永久代主要用于存放静态文件,如Java类、方法等。永久代对垃圾回收没有显著影响,但是有些应用可能动态生成或者调用一些class,例如使用反射、动态代理、CGLib等bytecode框架时,在这种时候需要设置一个比较大的永久代空间来存放这些运行过程中新增的类
垃圾回收有两种类型,Minor GC 和 Full GC
如果说垃圾收集算法是内存回收的方法论,那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。下图展示了7种作用于不同分代的收集器,其中用于回收新生代的收集器包括Serial、PraNew、Parallel Scavenge,回收老年代的收集器包括Serial Old、Parallel Old、CMS,还有用于回收整个Java堆的G1收集器。不同收集器之间的连线表示它们可以搭配使用