JVM内存模型和垃圾回收

在开发过程中，常接触到内存内存，但内存究竟长什么样呢？

JVM内存模型

运行时数据区

jvm中将内存分为程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区五个部分。其中Java虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器是每个线程独有的，而堆和方法区是所有线程共享的。下面分别介绍各个内存区域。

• 程序计数器（PC，Program Counter Register）：每个线程都有自己的程序计数器，主要用来记录当前线程正在执行的JVM指令地址。如果当前正在执行的方法是native方法，则是未指定值undefined。由于在多线程下，一个CPU内核只能执行一条线程中的指令，因此在线程切换之后能从原来的指令继续执行。
• Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）：Java虚拟机栈中保存的栈帧，对应一个个Java方法调用。当前方法调用了其它方法时，会创建一个新的栈帧，一直到方法执行结束，便会将栈帧移除。栈帧中包括：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址、附加信息。
  1. 局部变量表：主要存储方法中的局部变量和方法的参数。
  2. 操作数栈：作为虚拟机的工作区，程序中借助操作数栈来完成所有的计算过程，大多数指令都从这里弹出数据，执行计算，然后把结果压回操作数栈。有点类似CPU寄存器。
  3. 动态链接：每个栈帧都有一个运行时常量池的引用，这个引用指向栈帧当前运行方法所在类的常量池，用以支持动态链接。在Java类文件编译时，将类的变量和方法的引用当做符号引用存储在这个类的常量池里。符号引用是一个逻辑引用，不直接指向内存地址。在类文件加载并校验通过之后，将符号引用替换成直接引用，称为静态解析；在第一次使用符号引用时替换成直接引用，称为动态链接。
  4. 方法返回地址：方法执行完成之后要返回调用的地址，因此在这里记录方法返回地址信息。
  5. 附加信息：具体虚拟机实现中增加的，虚拟机规范中没有包含的信息。
• 本地方法栈（Native Method Stack）：和Java虚拟机栈相似，支持本地方法的调用。
• 堆（Heap）：堆是Java内存的核心区域，用来在运行时分配类实例、数组，而栈帧中置存储指向堆中对象或数组的引用。堆上的对象由垃圾回收器进行回收。堆是所有线程共享的。
• 方法区（Method Area）：方法区也是所有线程共享的内存区域。用来存储元数据，如类的结构信息，以及对应的运行时常量池、字段、方法代码等。运行时常量池主要存放各种常量，也包括类方法的符号引用。

堆内存模型

堆内存模型

堆内又分为新生代、老年代、永久代。当最大堆体积大于最小堆体积的时候，堆创建的时候不会占用全部的堆空间，因此留下一部分暂时未被使用的空间，就是Virtual。

1. 新生代：大部分对象都在新生代中创建和销毁（小部分大对象直接在老年代创建），新生代内部分为一个Eden和两个Survivor。
2. 老年代：放置长生命周期的对象。对象在新生代中达到一定的年龄之后会拷贝到老年代。如果对象太大，在新生代找不到连续的空间存放，会直接在老年代创建。
3. 永久代：存放类元数据、常量池等，JDK 8移除了永久代，增加了元数据区。

堆空间中的垃圾回收

通常情况下，垃圾回收的流程如下：

1. 大部分的Java对象都在Eden空间中创建，这时候两个survivor空间是空的。当Eden空间达到一定的阈值之后，触发Minor GC，将Eden中存活的对象复制到其中一个survivor中，并标记对应的年龄+1，这时候Eden空闲下来。
2. 当Eden空间再次达到一定的阈值之后，将空的survivor作为to，有对象的survivor作为from，将Eden和from中存活的对象复制到to中，并标记对应的年龄+1。
3. 第二步发生多次之后，有的对象存活的年龄会到达一定的阈值，复制到老年代。
4. 老年代会发生的GC叫Major GC，取决于JVM的实现方法，一般采用标记整理，将老年代的对象进行标记，清除无用对象之后将其它对象整理到连续的内存区域。

常用的JVM的垃圾回收算法

如何确定对象是否需要回收

1. 引用计数算法：给对象添加一个引用计数器，当对象被引用的时候就将引用计数器+1，当引用失效时，将计数器减1。计数器为0的对象就是可以回收的对象。Python使用的就是引用记数算法。但Java没有使用，因为存在循环引用的问题。
2. 可达性分析算法：选定一些活动的对象作为GC Roots，根据对象的引用链向下搜索。如果某一个对象和GC Roots之间没有引用链条，即不可达，就视为可回收对象。GC Roots是Java虚拟机栈、本地方法栈中正在引用的对象、静态属性引用的对象和常量引用的对象。

常见的垃圾回收算法

• 复制算法：将内存划分成2块，每次只使用一块，当触发GC的时候，将存活的对象复制到另一块内存中，然后将已使用的那块内存空间进行清理。复制算法运行高效，但由于要将内存空间分成2块，所以对内存空间的使用效率较低。
• 标记-清除算法：标记清除算法分为标记和清除两个阶段。标记阶段对可回收对象进行标记，清除阶段对标记的对象进行回收。标记清除算法效率不高，并且在回收对象之后，产生大量不连续的内存空间，导致后续更容易触发GC。
• 标记-整理算法：和标记清除算法相似，只是在标记之后，不直接清除可回收对象，而是将存活对象挪向内存的一端，然后将剩下的内存空间进行清理。可以解决标记清除算法的内存空间碎片问题。

PS: 文中图片引用自极客时间Java核心技术36讲。

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