虚拟机JVM运行时区域及垃圾回收

该系列文章主要是记录下自己暑假这段时间的学习笔记，暑期也在实习，抽空学了很多，每个方面的知识我都会另起一篇博客去记录，每篇头部主要是另起博客的链接。

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一、JVM 运行时数据区域

JVM运行时数据区域可以分为：程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆、方法区（包含运行时常量池）

1、程序计数器：

可看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器

• 线程私有

2、Java 虚拟机栈

描述的是Java方法执行的的内存模型，每一个方法执行的同时都会创建一个栈帧（栈帧详解）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法的执行到结束，都对应着一个栈帧入栈到出栈

• 局部表量表：存放了编译器可知的各种基本数据类型、对象引用
• 线程私有
• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度会抛出StackOverflowError异常
• 如果虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存，会抛出OutOfMemoryError错误

3、本地方法栈

与Java虚拟机栈的发挥的作用差不多，区别在于Java虚拟机栈是为Java方法服务、本地方法栈是为本地（Native）方法服务

• 线程私有
• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度会抛出StackOverflowError异常
• 如果虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存，会抛出OutOfMemoryError错误

4、Java 堆

堆在虚拟机启动时创建，唯一的目的就是存放几乎所有的对象实例。

• 线程共享
• 堆是垃圾收集的主要区域，常被称为GC堆(Garbage Collected Heap)
• 可分为新生代、老年代：
• 再细致可以分为Eden、From Survivor、To Survivor空间：
• 堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展时，抛出OutOfMemoryError

5、方法区

存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态常量、即时编译器编译后的代码等数据

• 线程共享
• 当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemooryError

6、运行时常量池

是方法区的一部分.Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外；还有一项常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用？？，这些内容再类被加载后进入方法区的运行常量池中存放。

• 运行时常量池相对于Class文件常量池具有动态性，Java语言不要求常量一定只有编译期才产生，String类的intern()方法可以在运行期间将常量插入运行时常量池
• 当常量池无法再申请到内存时，会抛出OutOfMemoryError

7、直接内存

并不是虚拟机运行时数据的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是频繁的使用也会造成OutOfMemooryError

二、对象的创建

大家都知道Java是一门面向对象的编程语言，在Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建。语言层面上有通过 new方式 来创建、也有通过反射机制方式创建。在JVM中是怎么创建的呢？

1. 类加载检查：当创建对象指令下达后，先检查是否能在常量池中定位到该类的符号引用，并且检查这个类是否已经被加载、解析、和初始化过。若没有，那必须先执行类加载
2. 为新生对象分配内存：对象所需分配的大小在类加载完成后便可完全确定，分配内存其相当于在堆中划分出一块相应的大小的内存。在为对象分配内存时，需要考虑线程安全的问题
3. 将分配到的内存空间都初始化为0值（不包括对象头）: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
4. 对对象进行必要的设置：比如对象是哪个类的实例，如何才能找到元数据信息，对象个哈希码、对象的GC分代信息等。这些信息都存储在对象头中
5. 上述步骤之后，虚拟机层面上一个新对象已经产生，但从Java层面上对象的创建才开始。其 <init>方法还没有执行，所有的字段都还未0

三、对象的访问定位

建立对象都是为了使用它，在Java程序中，通过栈中的 reference 数据来操作堆上的具体对象

• 句柄访问方式
  

  

• 直接指针访问方式
  

  

四、JVM垃圾收集器与内存分配策略

在了解JVM垃圾回收之前，需要知道3个问题：

1. 哪些内存需要释放？
2. 什么时候释放？
3. 如何回收？

首先要知道JVM运行时数据区域中程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法都是随线程而生、线程而亡，即线程私有的。在这3个区域的内存分配和回收都具有确定性，在方法结束或线程结束时内存就自动回收了，因此不用考虑垃圾回收。
在Java堆中和方法区则不一样，一个接口的多个实现类需要的内存不一样，一个方法的多个分支需要的内存也不一样，只有在程序运行期间才能知道，这部分内存的分配和回收都是动态的。因此在这两个区域考虑垃圾回收。

判断对象是否存活

1.引用计数算法

给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器就加1；当引用失效后，计数器就减1；当计数器为0时的对象就是不可能再被使用的对象

• 优势：实现简单、效率高
• 劣势：难以解决对象之间相互循环引用的问题

2、可达性分析算法

通过一系列称为"GC Roots"对象作为起始点，从这些点向下搜索，搜索过程中走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何的引用链相连接时，则证明该对象是不可用的

• 克服引用计数算法无法解决对象之间相互循环引用的问题

• GC Root 的对象包括：
  1. 虚拟机栈中引用的对象
  2. 方法区中类静态属性引用的对象
  3. 方法区中常量引用的对象
  4. 本地方法栈中JNI（Native方法）引用的对象

3、再次确认对象的存亡

经过上述任意一种算法，判断出不可用的对象并非是非死不可的。一个不可用的对象再第经过上述算法之后，将第一次标记并且进行筛选，筛选条件为该对象是否有必要执行finelize()方法。
当对象没有覆盖finelize()方法，或者finelize()方法已经被虚拟机调用过，JVM将这两种情况都视为没有必要执行

4、回收方法区

很多人认为JVM方法区（永久代）中是没有垃圾收集的，其实是有的，主要回收这两部分：废弃常量和无用的类

垃圾回收算法

1、标记-清除算法

如同其名字一样，算法分为标记和清除两个阶段：首先标记所有需要回收的对象，
在统一回被标记的对象；其标记过程和判断对象的存活过程类似

• 不足：
  1. 标记和清除两个过程效率都低；
  2. 标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多会导致后面分配大内存对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前出发一个垃圾收集动作

2、复制算法

将可用内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块；当这一块内存快使用完了，就将还存活的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的那块内存空间一次清理掉。

• 解决了标记清理的效率和内存碎片问题
• 不足：将内存缩小为原来的一半，付出的代价太高

新生代中解决复制算法的不足：

研究表明新生代中的对象98%是“朝生夕死”的，所以并不需要按1：1比例来划分空间，而是将内存划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，其比例为8：1：1，每次使用Eden空间和一块Survivor空间，即新生代中可用内存空间为90%。
若另一块Survivor空间没有足够空间存放上一次新生代中收集下来存活的对象，这些对象将会直接被分配到老年代

3、标记整理算法

• 复制算法在对象存活率较高时就要进行较多复制操作，效率也会变低，更关键是会浪费空间

针对老年代的特点，提出标记-整理算法，其标记过程和标记清除算法中一样，而后续步骤则不一样，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清除掉该端边界以外的内存。

• 标记-整理主要解决了内存碎片问题

分代收集算法

将JVM堆分为新生代和老年代，这样可以根据各个年代的特点采用最合适的收集算法

• 新生代中，每次垃圾收集时发现大批对象死去，只有少量对象存活，就选用复制算法，只需付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集

• 老年代中，对象的存活率很高，无额为的空间为其进行分配担保，就必须使用标记-清除或标记-整理算法

简单总结：

• 两个最基本的java回收算法：复制算法和标记清理算法
  • 复制算法：两个区域A和B，初始对象在A，继续存活的对象被转移到B。此为新生代最常用的算法
  • 标记清理：一块区域，标记要回收的对象，然后回收，一定会出现碎片，那么引出
  • 标记-整理算法：多了碎片整理，整理出更大的内存放更大的对象
• 两个概念：新生代和年老代
  • 新生代：初始对象，生命周期短的
  • 永久代：长时间存在的对象
• 整个java的垃圾回收是新生代和年老代的协作，这种叫做分代回收。

垃圾收集器

• **Serial **收集器是针对新生代的收集器，采用的是复制算法

• Parallel New（并行）收集器，新生代采用复制算法，老年代采用标记整理

• Parallel Scavenge（并行）收集器，针对新生代，采用复制收集算法

• Serial Old（串行）收集器，新生代采用复制，老年代采用标记清理

• Parallel Old（并行）收集器，针对老年代，标记整理

• CMS收集器，针对老年代，基于标记清理

• G1收集器，整体上是基于标记清理，局部采用复制

• 综上：新生代基本采用复制算法，老年代采用标记整理算法。cms采用标记清理。

JVM内存分配参数

• Xmx：最大堆大小
• Xms：初始堆大小，即最小内存值
• Xmn：年轻带大小
• XXSurvivorRatio：年轻带中 Eden：FromSurvivor：ToSurvivor=3:1:1