JVM内存结构 & Java垃圾回收机制（GC）

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序言

相信各位Android和Java开发的同学都知道，Java与C++不同，JVM会自动管理内存，即自动帮我们分配内存和回收内存，而垃圾回收机制（GC）就是用来帮助我们回收内存的。
那么，问题就来了，垃圾回收机制会涉及到哪些内存区域，以及回收的过程如何？这就需要我们对JVM内存结构有一个清晰的认识。
下面，我们先介绍JVM内存结构，再介绍垃圾回收机制。

JVM内存结构

请看下图：

image.png

图中清晰的划分了JVM内存结构，针对上图，做一些简要的说明：

• JVM内存组成部分包括方法区（包含运行时常量池），堆、程序计数器、JVM栈和本地方法栈
• 方法区和堆内存是各线程共享的内存区域，而程序计数器、JVM栈和本地方法栈是各线程独享内存。

下面，将对每个区域进行详细的介绍。

1. 方法区

别名：持久代
作用：主要用来存储虚拟机加载的类结构信息（版本、字段、方法、接口）、常量、静态变量、还有及时编译后的代码。
特点：

• 各线程共享的内存区域
• 内存区域可以不连续，可以动态扩展
• 该区域并不是真正的“永久代”，偶尔也会进行内存回收，包括对常量池的回收和内存数据的卸载，频率比堆内存回收低很多
• 方法区无法满足内存需求时，会报OutOfMenmeryError异常

2. 运行时常量池

作用：主要用于存储Java类文件常量池中的符号信息
特点：

• 是方法区的一部分，也是线程间共享
• 内容主要来源于JVM对Class的加载
• 运行期间，常量池无法申请到新的空间，也会报OutOfMenmoryError异常

3. 堆

别名：Java堆、GC堆
作用：用来存储对象实例和数组（简单来说所有new出来的对象都存在堆内存中）
特点：

• 各线程共享堆内存
• 是JVM管理的内存中最大一块内存区域
• 堆被划分为新生代、老年代，后面会详细介绍这两个区域
• 堆空间不足，也会报OutOfMenmoryError异常

Generation：
通过下图简单认识新生代、老年代和持久代。

image.png

• 新生代：为新创建的对象分配内存，目的是尽量快速回收生命周期短的对象。从上图可知，新生代分为一个EdenSpace（伊甸园）和两个Survivor（幸存区），分别是FromSpace和ToSpace。
  大部分对象在Eden区，但Eden区满了，此区存活的对象会copy到from幸存区，当from幸存区满，Eden和from幸存区存活的对象会被copy到to幸存区，然后from和to两个指针交换位置，保证在下一次GC之前，to幸存区是空的，当一个对象经过多次（有的垃圾回收器回收策略是15次）copy，就会晋升到老年代。针对新生代的垃圾回收是MinorGC。

• 老年代：存放生命周期很长的对象（经过多次新生代GC仍然存活的对象），针对老年代的垃圾回收是FullGC。

• 持久代：就是上面介绍的方法区，当它的空间不足，也会触发FullGC。

4. 程序计数器

作用：保证在多线程环境中程序可以连续执行。存放当前线程执行字节码的行号，字节码解释器工作时，是通过改变计数器的值来选取下一条字节码指令。
特点：

• 各线程私有内存区域
• JVM管理的内存中最小的一块内存区域

5. JVM栈

作用：用来描述方法执行的内存区域。
特点：

• 线程私有内存区域
• 占空间不足，会报StackOverFlowError异常

栈的组成：
栈是用来存储栈帧的，每当线程调用一个方法，就会产生一个栈帧，压入栈内。
而栈帧是由局部变量表、操作数栈和帧数据区组成：

• 局部变量表：用来存放方法中的局部变量（包括基本数据类型和对象引用），通过索引取值。
• 操作数栈：可以理解为临时存储计算数据的区域。通过入栈出栈方式取值。
• 帧数据区：用来记录方法调用信息，处理方法的正常返回和异常终止。如果方法正常返回，则把当前栈帧从栈中弹出，如果方法有返回值，则把返回值压入到调用方法的操作数栈。也可以支持常量池解析。

6. 本地方法栈

跟JVM栈类似，只不过JVM栈用来执行Java方法，而本地方法栈用来执行Native方法。

到这里，JVM内存结构介绍完毕，有了这个基础，下面我们一起学习Java垃圾回收机制。

Java垃圾回收机制(GC)

首先，我们需要有个概念，垃圾回收机制主要是回收堆内存区域，偶尔也会回收方法区。
关于垃圾回收，我们需要弄清楚下面三个问题：

• 哪些内存需要回收？（经典算法：引用计数算法和可达性分析算法）
• 什么时候触发垃圾回收？（新生代、老年代、持久代回收时机，MinorGC和FullGC）
• 如何回收？（经典算法：标记清除算法、复制算法、标记整理算法和分代回收算法）

带着这些问题，我们来展开学习。

关于垃圾回收机制，必须记住一规则：Stop-the-World（JVM执行GC时线程都会处于等待状态，任何GC算法都是如此）。

1. 确定对象是否可以回收

这里有两种经典算法确定对象是否可以被回收：引用计数算法和可达性分析算法。

引用计数算法
简介：根据对象被引用的数量来判断对象是否可以被回收。
详细描述：这是垃圾收集器早期的一种策略，堆中每个对象实例都有一个引用计数器。对象A，当它的引用赋值给一个变量（如a = A，b = a），则引用计数器+1；当A的引用变量生命周期结束或者设置一个新值（如a = B），那么引用计数器-1。特殊情况：当一个对象实例被垃圾收集器回收，该对象引用的任何实例的引用计数器都-1。
优点：引用计数收集器执行速度很快，不会长时间打断程序的执行。
缺点：很难解决对象之间相互循环引用问题。

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这个时候，对象A和对象B都无法被回收。

可达性分析算法
简介：根据对象引用链是否可达来判断对象是否可以被回收。
详细描述：程序把所有的引用关系看做一张拓扑图，通过一系列的"GC Roots"作为起点，这些节点向下索引，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象没有任何引用链到达"GC Roots"，那么这个对象不可达，可以被回收。可以作为"GC Roots"的对象包括：

• 虚拟机栈和本地方法栈（栈帧的局部变量表）引用的对象
• 方法区中类静态变量引用的对象

• 方法区中常量引用的对象

  
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2. 垃圾回收时机

垃圾回收有两种类型：MinorGC和FullGC。
MinorGC
对新生代进行回收，不影响老年代，因为新生代对象大多死亡频繁，所以MinorGC也会频发触发。

FullGC
也叫MajorGC，对整个堆进行回收，包括新生代和老年代，由于回收范围大，所以速度慢，因此要尽量少触发FullGC。

对于不同的垃圾收集器，MinorGC和FullGC的触发时机也不一样，我们就以HotSpot的serial GC实现来看：

• 老年代空间不够、永久代空间不够或者手动调用System.gc()都会触发FullGC。
• 新生代的Eden区用完会触发MinorGC。

3. 垃圾收集算法

经典的垃圾回收算法有**标记清除算法、复制算法、标记整理算法、分代收集算法。

标记清除算法
简介：从根集合进开始扫描，标记存活的对象。再扫描整个空间中没有被标记的对象，进行回收。
详细描述：标记和清除两个过程的效率都不高，该算法不需要对对象进行移动，仅清除未标记的对象，清除之后，容易产生大量不连续的内存碎片。程序运行过程中，需要分配较大的对象时，无法找到足够的连续的内存，可能不得不触发另一次垃圾回收操作。

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复制算法
简介：把可用的内存空间划分为大小相同的两块，每次只使用其中一块，当这一块用完之后，就把存活的对象复制到另外一块空间，把当前内存空间一次性清理掉。
详细描述：适用于对象存活率低的场景，如新生代。由于每次都对整个半区进行回收，不用考虑内存碎片，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单高效。事实上，商用虚拟机都采用这种方式回收新生代，据统计，新生代每次回收大概只有10%的存活对象。

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标记整理算法
简介：这是标记清除算法的改进版本，标记过程相同，不过后续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。
详细介绍：类似于磁盘整理过程，适用于存活率高的老年代。对于老年代，复制算法效率会变低，因为对象存活率高，每次都要对很多对象进行复制操作。

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分代收集算法
简介：不同生命周期的对象位于堆中不同区域，生命周期短位于新生代，生命周期长位于老年代，不同区域采取不同的回收策略，提高JVM执行效率。
详细描述：当代商用虚拟机都采用了分代收集算法，新生代采用复制算法，老年代采用标记整理算法（或标记清除算法）。

四种引用对GC的影响

我们知道，Java中有四种引用方式：强引用、软引用、弱引用、虚引用。

• 强-FinalReference：存过的对象永远不会被GC回收，满世界都在用，正常创建对象都是强引用。
• 软-SoftReference：内存不足时会被GC回收，如果回收后还不足，则报OOM，常用于缓存一些比较占内存的资源，比如图片缓存。
• **弱-WeakReference **：GC遇到了就会回收，弱于软引用，可以用来解决内存泄漏问题（子线程、静态方法中、枚举中）。
• 虚-PhantomReference：无法通过虚引用获取对象值，它的get方法永远返回null。如果一个对象仅持有虚引用，那么这个对象任何时候都可以被回收。
  虚引用要结合ReferenceQueue（引用队列）一起使用，当垃圾回收器准备回收一个对象，发现它持有虚引用，就在回收对象之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。
  程序可以通过判断ReferenceQueue中是否加入了虚引用，来判断被引用对象是否要被回收，在被回收之前可以进行一些必要的操作。

总结

到这列，本文内容介绍完毕，我们来总结一下：
本文先介绍了JVM内存结构，主要分为方法区、堆、栈和程序计数器。
了解JVM内存结构之后，我们继续介绍垃圾回收机制，主要从怎样确定对象是否能够被回收、回收时机、回收算法这三个方面进行介绍。
最后，讲解了Java四种引用方式对GC的影响。
看到这里的小伙伴，希望你有所收获！！