Java内存区域

了解Java GC机制，必须先清楚在JVM中内存区域的划分。在Java运行时的数据区里，由JVM管理的内存区域分为下图几个模块：

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其中：

1，程序计数器（Program Counter Register）：程序计数器是一个比较小的内存区域，用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。

每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以它是线程私有（一个线程就有一个程序计数器）的。

java虚拟机多线程是通过线程间轮流切换来分配给处理器执行时间；在确定时间节点，一个处理器（一核）只会执行一个线程的指令；为保证 线程切换 回来后能恢复到原执行位置，各个线程间计数器互相不影响，独立存储（称之为 线程私有 的内存）。

如果程序执行的是一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是一个本地（非java方法，native申明，由C语言编写完成，编译成和处理器相关的机器代码）方法，则计数器的值为Undefined，由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。

2，虚拟机栈（JVM Stack）：每当启用一个线程时，JVM就为他分配一个Java栈，栈是以帧为单位保存当前线程的运行状态。某个线程正在执行的方法称为当前方法，当前方法使用的栈帧称为当前帧，当前方法所属的类称为当前类，当前类的常量池称为当前常量池。当线程执行一个方法时，它会跟踪当前常量池。每当线程调用一个Java方法时，JVM就会在该线程对应的栈中压入一个帧，这个帧自然就成了当前帧。当执行这个方法时，它使用这个帧来存储参数、局部变量、中间运算结果等等。Java栈上的所有数据都是私有的。任何线程都不能访问另一个线程的栈数据。局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。

虚拟机栈中定义了两种异常，如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError（栈溢出）；不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足，此时，会抛出OutOfMemoryError（内存溢出）。

3，堆区（Heap）：在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块，堆区也是Java GC机制所管理的主要内存区域，堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区的存在是为了存储对象实例，原则上讲，所有的对象都在堆区上分配内存。如果在执行垃圾回收之后，仍没有足够的内存分配，也不能再扩展，将会抛出OutOfMemoryError:Java heap space异常。

4，方法区：方法区是各个线程共享的区域，用于存储已经被虚拟机加载的类信息（加载类时需要加载的信息，类中定义的字段、接口、方法）、final常量、静态变量、编译器即时编译的代码等。

Java对象的访问方式

一般来说，一个Java的引用访问涉及到3个内存区域：JVM栈，堆，方法区。

以最简单的本地变量引用：Object obj = new Object()为例：

· Object obj表示一个本地引用，存储在JVM栈的本地变量表中，表示一个reference类型数据；

· new Object()作为实例对象数据存储在堆中；

· 堆中记录了Object类的类型信息（接口、方法、field、对象类型等）的地址，这些地址所执行的数据存储在方法区中；

在Java虚拟机规范中，对于通过reference类型引用访问具体对象的方式并未做规定，目前主流的实现方式主要有两种：

1，通过句柄访问：

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通过句柄访问的实现方式中，JVM堆中会专门有一块区域用来作为句柄池，存储相关句柄所执行的实例数据地址（包括在堆中地址和在方法区中的地址）。这种实现方法由于用句柄表示地址，因此十分稳定。

2，通过直接指针访问：

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通过直接指针访问的方式中，reference中存储的就是对象在堆中的实际地址，在堆中存储的对象信息中包含了在方法区中的相应类型数据。这种方法最大的优势是速度快。

Java内存分配机制

这里所说的内存分配，主要指的是在堆上的分配。Java内存分配和回收的机制概括的说，就是：分代分配，分代回收。对象将根据存活的时间被分为：年轻代（Young Generation）、年老代（Old Generation）、永久代（Permanent Generation，也就是方法区）。

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年轻代（Young Generation）：对象被创建时，内存的分配首先发生在年轻代（大对象可以直接被创建在年老代），大部分的对象在创建后很快就不再使用，因此很快变得不可达，于是被年轻代的GC机制清理掉（IBM的研究表明，98%的对象都是很快消亡的），这个GC机制被称为Young GC。注意，Young GC并不代表年轻代内存不足，它事实上只表示在Eden区上的GC。

· 引用计数算法：每个对象有一个引用计数器，当对象被引用一次则计数器加1，当对象引用失效一次则计数器减1，对于计数器为0的对象意味着是垃圾对象，可以被GC回收。但是这个算法有明显的缺陷，对于循环引用的情况下，循环引用的对象就不会被回收。例如下图：对象A，对象B 循环引用，没有其他的对象引用A和B，则A和B 都不会被回收。

· 可达性算法：从GC Roots作为起点开始搜索，那么整个连通图中的对象便都是活对象，对于GC Roots无法到达的对象便成了垃圾回收的对象，随时可被GC回收。如下图：对象D访问不到，将被回收。

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年轻代上的内存分配是这样的，年轻代可以分为3个区域：Eden区（伊甸园，亚当和夏娃偷吃禁果生娃娃的地方，用来表示内存首次分配的区域，再贴切不过）和两个存活区（Survivor 0 、Survivor 1）。内存分配过程为：

1. 绝大多数刚创建的对象会被分配在Eden区，其中的大多数对象很快就会消亡。Eden区是连续的内存空间，因此在其上分配内存极快；

2. 最初一次，当Eden区满的时候，执行Minor GC，将消亡的对象清理掉，并将剩余的对象复制到一个存活区Survivor0（此时，Survivor1是空白的，两个Survivor总有一个是空白的）；

3. 下次Eden区满了，再执行一次Minor GC，将消亡的对象清理掉，将存活的对象复制到Survivor1中，然后清空Eden区；

4. 将Survivor0中消亡的对象清理掉，将其中可以晋级的对象晋级到Old区，将存活的对象也复制到Survivor1区，然后清空Survivor0区；

5. 当两个存活区切换了几次（HotSpot虚拟机默认15次，用-XX:MaxTenuringThreshold控制，大于该值进入老年代，但这只是个最大值，并不代表一定是这个值）之后，仍然存活的对象，将被复制到老年代。

从上面的过程可以看出，Eden区是连续的空间，且Survivor总有一个为空。经过一次GC和复制，一个Survivor中保存着当前还活着的对象，而Eden区和另一个Survivor区的内容都不再需要了，可以直接清空，到下一次GC时，两个Survivor的角色再互换。因此，这种方式分配内存和清理内存的效率都极高，这种垃圾回收的方式就是著名的“停止-复制（Stop-and-copy）”清理法（将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到另一个Survivor中），这不代表着停止复制清理法很高效，其实，它也只在这种情况下高效，如果在老年代采用停止复制，则挺悲剧的。

年老代（Old Generation）：对象如果在年轻代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次Young GC后存活了下来），则会被复制到年老代，年老代的空间一般比年轻代大，能存放更多的对象，在年老代上发生的GC次数也比年轻代少。当年老代内存不足时，将执行Full GC。

如果对象比较大（比如长字符串或大数组），Young空间不足，则大对象会直接分配到老年代上（大对象可能触发提前GC，应少用，更应避免使用短命的大对象）。用-XX:PretenureSizeThreshold来控制直接升入老年代的对象大小，大于这个值的对象会直接分配在老年代上。

可能存在年老代对象引用新生代对象的情况，如果需要执行Young GC，则可能需要查询整个老年代以确定是否可以清理回收，这显然是低效的。解决的方法是，年老代中维护一个512 byte的块，所有老年代对象引用新生代对象的记录都记录在这里。Young GC时，只要查这里即可，不用再去查全部老年代，因此性能大大提高。

Java GC机制

年轻代：在新生代中，使用“停止-复制”算法作为垃圾回收方法，将新生代内存分为2部分，1部分 Eden区较大，1部分Survivor比较小，并被划分为两个等量的部分。每次进行清理时，将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到 另一个Survivor中，然后清理掉Eden和刚才的Survivor。

由于绝大部分的对象都是短命的，甚至存活不到Survivor中，所以，Eden区与Survivor的比例较大，默认是 8:1，即分别占新生代的80%，10%，10%。如果一次回收中，Survivor+Eden中存活下来的内存超过了10%，则需要将一部分对象分配到 老年代。

老年代：老年代存储的对象比年轻代多得多，而且不乏大对象，对老年代进行内存清理时，如果使用停止-复制算法，则相当低效。一般老年代用的算法是标记-整理算法，即：标记出仍然存活的对象（存在引用的），将所有存活的对象向一端移动，以保证内存的连续。在发生Minor GC时，虚拟机会检查每次晋升进入老年代的大小是否大于老年代的剩余空间大小，如果大于，则直接触发一次Full GC。

方法区（永久代）：一般不回收，永久代的回收并不是必须的，可以通过参数来设置是否对类进行回收。

停止-复制算法：

将可用的内存按容量划分为大小相等的两块（from，to），每次只是用其中一块（总有一块是空的【to区域】）。当这一苦熬的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后把已使用过的内存空间一次清理完。

HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor大小的比例是8:1，也就是每次新生代中可用的内存空间为整个新生代容量的90%，只有10%的内存时被浪费的。

缺点：浪费内存空间，如果对象存活率较高时要执行较多的复制操作，效率降低。

图解：有一块内存区域是空的，一般是to区域。保留区域每次回收后都因为复制的时候让他们变为连续的地址空间，所有不产生内存碎片。

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标记-清除算法：

先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。

缺点：回收了被标记的对象后，由于未经过整理，所以导致很多内存碎片

图解：绿色是被标记为可回收的，当回收后，未使用的内存空间非常零碎，产生内存碎片。

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标记-整理算法：

标记整理算法的“标记”过程和标记-清除算法一致，只是后面并不是直接对可回收对象进行清除，而是让所有存活的对象都向一段移动，然后直接清理掉端边界之外的内存。

图解：由于标记后继续整理，可以很明显的看出未使用的地址空间都是连续的，不会产生内存碎片。

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