理解Java内存区域与垃圾收集器

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java内存区域
- 运行时内存区域
- 对象访问
垃圾收集器
- 判断对象死亡
- 方法区回收
- GC回收算法
- 空间分配担保
参考

java内存区域

运行时内存区域

java虚拟机在执行java程序的过程当中会把它所管理的内存划分为若干个不一样的数据区域。 java

咱们注意到运行时区域主要会包括5部分区域，它们有个各自的用途，以及建立和销毁时间，有的依赖虚拟机进程，有的依赖用户线程。

程序计数器程序计数器是一块较小的内存空间，它的做用是当前线程所执行到的字节码的位置指示器。字节码解释器工做时就是经过改变计数器的值来选取下一条须要执行的字节码指令，从而达到分支、循环、跳转、异常处理等基本功能。 java虚拟机中的多线程实际是经过线程轮流切换实现的。因此实际上在同一时刻，处理器的一个内核只会执行一条指令。所以为了线程切换后还能恢复到正确的执行位置，须要每一个线程都要有一个独立的程序计数器。并且他们之间互补影响，独立工做。因此程序计数器是一块线程私有的内存。
本地方法栈与程序计数器同样，本地方法栈也是线程私有的。本地方法栈为虚拟机提供使用Native方法服务。因为虚拟机规范并无对本地方法栈中的使用语言和数据结构等作强制规定，因此虚拟机能够自由实现。
java虚拟机栈同本地方法栈，虚拟机栈是线程私有，它的生命周期与当前线程相同。它为虚拟机执行java方法提供服务。它描述的内存模型：每一个方法被执行的时候会同时建立一个栈桢，用于存储局部变量、操做栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法的调用到返回结果的过程，就是对应一个栈桢的入栈与出栈。常常有人会说java内存能够粗糙的区分为堆和栈，这里的栈就是虚拟机栈，而虚拟机栈中最重要的就是局部变量表。局部变量表存放了编译期可知的基本数据类型、对象的引用（reference类型，它可能只想对象起始地址的引用指针，也可能指向表明改对象的句柄）。局部变量表所须要的内存在编译期完成分配，当进入一个方法时，此方法所须要的内存空间大小是肯定的，因此在方法运行期间，不会改变局部变量表的大小。
java堆对于虚拟机来讲，堆是其所管理的最大的一块内存。java堆是指被线程共享的一块内存区域，它在虚拟机启动时即建立，堆的惟一目的时存放对象实例。同时因为堆空间有限，对象的建立和销毁是时常发生的，因此java堆是垃圾收集器的主要管理区域，因此java堆有时也会称为GC堆。如今的GC回收基本都采用分代回收算法，因此堆能够细分为新生代和老年代，新生代又能够分为eden区，from Survivor空间和to Survivor空间等。对于堆中的各个区域分配和回收细节，在GC部分讲解。在虚拟机规范中，没有强制要求堆是物理内存连续的，只是逻辑上连续便可。因此当前的主流虚拟机的堆空间都是能够动态扩容的，能够经过-Xmx和-Xms控制。
方法区方法区同java堆都是线程共享的内存区域，它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。java虚拟机实现规范对该区域并无强制要求实现GC回收，因此相对而言，该区域的垃圾收集器不多出现，因此有人开发者会成称该区域为永久代。这个区域的内存回收主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。运行时常量池一个class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述之外，还有一项是常量池，用于存放编译期间生成的各类字面量和符号引用，这部份内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。运行时常量池是具备动态性的，java虚拟机对class文件的每一部分的格式有严格的规定，每一个字节用于存储哪一种数据都有规范要求，这样才会被虚拟机承认。可是对于常量池是比较宽松的，由于java并不要求常量必定要编译期产生，也能够在运行期间放入常量，好比String的intern()方法。

对象访问

在java虚拟机栈中咱们提到局部变量表存放了对象的引用，咱们都知道对象是分配的java堆中的，那么具体是怎么引用的呢？好比Object obj = new Object();，假设这句代码出如今方法体中，那么“Object obj ”这部分语义将会反映到java栈的本地变量表中（为reference类型），而“new Object()”这部分语义将会反映在java堆上，造成一块存储了Object类型全部实例数据值的结构化内存。因为reference类型在java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，因此在实际虚拟机中访问会有所不一样，主流访问有两种：git

句柄访问
直接指针访问

句柄访问

java堆会划分出一小块内存空间做为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，二句柄中包含了对象实例数据和类型数据的各自地址信息。 github

直接地址访问

reference中直接存储的就是对象的地址，java堆须要考虑对象的布局中如何存放访问类型数据的相关信息。算法

这两种对象的访问方式各有优点，使用句柄访问方式的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference自己不须要被修改。使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的的时间开销。

垃圾收集器

判断对象死亡

GC在对堆内存进行回收前，第一件事是须要肯定哪些对象是须要被回收的，因此就须要判断对象是否存活。通常的有两种方法来判断：markdown

引用计数法给一个对象添加一个引用计数器，每当有地方对其引用时，计数器加1，当引用实效时，计数器减1，任什么时候刻计数器为0时就表示该对象再也不被使用。引用计数法实现简单，一般是比较高效的，可是引用计数法有个弊端是当两个再也不被使用的对象互相引用时，致使二者都不会被释放。
根搜索算法根搜索算法是指经过一系列名为“GC roots"的对象为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索过的路径称为引用链，当一个对象到GC roots没有任何引用链相连，就表示此对象再也不被使用。在java语言中，做为GC roots的对象包括如下几种： a. java虚拟机栈（栈桢中本地变量表）中引用的对象 b. 方法区中类静态属性引用的对象 c. 方法区中常量引用的对象 d. 本地方法栈中JNI引用的对象

方法区回收

前面已经提到方法区是不多出现垃圾收集器的，由于方法区回收的性价比比较低，一般堆内存的回收一次能够回收70%-95%的空间，但方法区的垃圾收集器效率很低。通常的，方法区回收主要由两部分： 1.废弃常量废弃的常量与堆回收比较相似，只须要指导该常量是否在其余地方被使用便可。 2.无用的类这种状况的判断比较苛刻，通常要求知足如下三个条件才算是无用的： a. 该类的全部实例都被回收 b. 加载该类的ClassLoader也被回收 c. 该类对应的java.lang.class对象没有在任何地方被引用，没法在任何地方经过反射访问该类数据结构

GC回收算法

1.标记-清除算法最基础的收集算法是“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，如同它的名字同样，算法分为“标记”和“清除”两个阶段。 a. 首先标记出全部须要回收的对象 b. 在标记完成后统一回收全部被标记的对象。缺点：效率问题：标记和清除两个过程的效率都不高空间问题：标记清除以后产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会致使之后程序运行过程当中须要分配较大对象时，没法找到足够的连续内存而不得不提早触发另外一次垃圾收集动做。多线程

2.复制算法目的是为了解决效率问题。将可用内存按容量大小划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当一块内存使用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，而后再把已使用过的内存空间一次清理掉。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状况。缺点: 将内存缩小为了原来的一半。 oop

现代的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代，IBM公司的专门研究代表，新生代中对象98%对象是“朝生夕死”的，因此不须要按照1：1的比例来划份内存空间，而是将内存分为较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor。

3.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做，效率就会变低。根据老年代的特色，提出了“标记-整理”算法。标记过程仍然与”标记-清除“算法同样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让全部存活的对象都向一端移动，而后直接清理掉边界之外的内存。布局

4.分代收集算法通常是把Java堆分为新生代和老年代，这样就能够根据各个年代的特色采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少许存活，那就选用复制算法。在老年代中，由于对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须采用“标记-清除”或“标记-整理”算法来进行回收。JVM把年轻代分为了三部分：1个Eden区和2个Survivor区（分别叫from和to），默认比例为8：1。工做过程：通常状况下，新建立的对象都会被分配到Eden区(一些大对象特殊处理)，这些对象通过第一次GC后，若是仍然存活，将会被移到Survivor区。对象在Survivor区中每熬过一次GC，年龄就会增长1岁，当它的年龄增长到必定程度时，就会被移动到年老代中。由于年轻代中的对象基本都是朝生夕死的(80%以上)，因此在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法，复制算法不会产生内存碎片。在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区，Survivor区“To”是空的。紧接着进行GC，Eden区中全部存活的对象都会被复制到“To”，而在“From”区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到必定值(年龄阈值，能够经过-XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。通过此次GC后，Eden区和From区已经被清空。这个时候，“From”和“To”会交换他们的角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。无论怎样，都会保证名为To的Survivor区域是空的。GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满以后，会将全部对象移动到年老代中。

空间分配担保

先了解下Minor GC与Major GC/Full GC

Minor GC 即新生代GC，指发生在新生代的垃圾收集动做，Minor GC的回收的对象大多具有朝生夕灭的特性，因此Minor GC是很是频繁，而且回收速度比较快。
Major GC/Full GC 即老年代GC，指发生在老年代的垃圾收集动做，出现Major GC，常常会伴随至少一次的Minor GC。Major GC的速度通常比Minor GC慢10倍以上。

在发生Minor GC时，虚拟机会检测以前每次晋升到老年代的平均大小是否大于老年代的剩余空间大小，若是大于，则改成直接进行一次Full GC，若是小于，则查看HandlePromotionFailure设置是否容许担保失败，若是容许，那么只会进行Minor GC，若是不容许，那么进行一次Full GC。在分代回收算法中提到过，新生代使用复制收集算法，但为了内存利用率，只使用其中一个Survivor空间来做为轮换备份，所以当出现大量对象在Minor GC后仍然存活的状况（最极端的状况就是内存回收后新生代中全部对象都存活），就须要老年代进行分配担保，把Survivor没法容纳的对象直接进入老年代。与生活中的贷款担保相似，老年代要进行这样的担保，前提是老年代自己还有容纳这些对象的剩余空间，一共有多少对象会活下来在实际完成内存回收以前是没法明确知道的，因此只好取以前每一次回收晋升到老年代对象容量的平均大小值做为经验值，与老年代的剩余空间进行比较，决定是否进行Full GC来让老年代腾出更多空间。

参考

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