▪ 内存管理模型：堆、栈
三种对象管理模式
▪对象管理的形式（特别是在OO中）只是三种常见模式中的一种：
静态的
基于栈
基于堆
Entity是指属性、参数、局部变量和结果等在代码中的名字，其值为对象或对对象的引用。
Attach将entity同object关联/绑定在一起。
静态模式
在静态模式下，在程序执行期内entity至多attach一个运行时对象。
该技术在程序加载时或开始时一劳永逸地为所有对象分配空间（并将它们附加到相应的实体）
不支持递归，不支持动态创建数据结构
基于栈的模式
堆栈是存储方法调用和局部变量的位置。
如果调用方法，则将其堆栈帧（栈帧）放在调用堆栈的顶部。
堆栈帧保存方法的状态，包括执行哪行代码和所有局部变量的值。
堆栈顶部的方法始终是该堆栈的当前运行方法。
一个entity在运行时可以先后attach多个对象，运行时机制以堆栈中的后进先出顺序分配和释放这些对象。
当一个对象被释放时，相应的entity会再次attach到之前attached的对象（如果有的话）。
基于堆的模式
将内存分为多份，每份保存对象或未使用。
也称为自由模式，可通过显式请求动态创建对象的完全动态模式。
一个entity可先后attached任意数量的对象; 对象创建的模式在编译时通常是不可预测的， 对象还可以包含对其他对象的引用。
支持创建复杂的动态数据结构。
某些程序利用静态和stack分配结合的方式
有些利用动态分配
某些对象的寿命比创建它们的方法长。
递归数据结构，如列表和树。
避免对数据结构大小进行固定的硬限制。
关于Java内存模型的一些要点
基本数据类型的局部变量保存在线程栈中
局部变量引用了对象，引用保存在栈中，对象本身存储在堆中
对象包含的方法和方法包含的局部变量存储在栈中
对象的成员变量同对象一起存储在堆中， 不论成员变量的类型是基本类型还是对象类型(对其他对象的引用)
静态的类变量同类的定义一起保存在堆中
堆中的对象可以被所有拥有引用的线程访问
当线程有权访问对象时，它还可以访问该对象的成员变量。
如果两个线程同时调用同一个对象上的一个方法，它们都可以访问该对象的成员变量，但是每个 线程都有自己的局部变量副本。
▪ GC，root、reachable、unreachable、live、dead
垃圾收集（GC）
静态模式中不存在内 存空间回收问题
动态模式(stack-based, heap-based)则需要考虑内存空间回收问题
基于堆栈的模式中的空间回收
基于块结构的语言 中：在给定块中声明的所有实体同时发生对象分配，从而允许为整个程序 使用单个堆栈。
基于堆（免费）模式的空间回收
Heap 模式中，对象的创建在编译时未知，所以无法预测对象何时无用(可回收)
root
根集合由系统的root对象以及局部entity、子程序的参数或返回值构成
Root的确定是语言相关的
通常，确定根是依赖于语言的
取决于底层语言定义的运行时结构。
在通用语言实现中，根包括
静态区域中的单词
寄存器
执行堆栈中指向堆的单词。
reachable
在free模式下管理内存，第一步 是区分可达对象和不可达对象
活对象与死对象
可以将对象和引用视为有向图：
图表的活动对象是可从根目录访问的对象。
执行计算的过程称为变化器，因为它在动态更改对象图。
跟踪可到达/无法访问的对象
我们可以简单地编码这个定义：
第1步：从根开始; 现场设置为空
步骤2：将根指向的任何对象添加到实时集
第3步：重复
将实时对象指向的任何对象添加到实时集
直到找不到新的活动对象
步骤4：不在实时集中的任何对象都是垃圾
如果一个对象是可达的，则为存活对象。
它被root中的对象指向或被live中的对象指向(从root间接指向)。
非活动对象称为死对象，即垃圾。
▪ GC的四种基本算法
识别垃圾并释放它占用的内存称为垃圾收集（GC）。
GC的成本指标
执行时间
总执行时间
GC执行时间的分配
分配新对象的时间
内存使用情况
额外的内存开销
分裂
虚拟内存和缓存性能
延迟时间
破坏性暂停的时间长度
僵尸时间
其他重要指标
全面性
实现简单性和健壮性
GC的主要任务是区分可达对象和不可达对象(存活对象与死亡对象)
四种方法：
引用计数：
在每个对象上记下一个注释，指示对象的实时引用数。 如果对象的引用计数变为零，则抛出该对象（它已经死了）。
目标：确定您何时是唯一所有者，从而您可以做出处置决定。
基本思路：计算活动对象的引用数。
每个对象都有一个引用计数（RC）
复制引用时，引用的RC递增
删除引用时，引用的RC将递减
当RC = 0时，可以回收对象
Recursive freeing 递归释放
一旦对象的RC = 0，就可以释放它。
但是对象可能包含对其他对象的引用。
在释放此对象之前，还应释放其成分的RC。
标记-清除
记下你需要的物体（根）。
然后以递归方式标记活动对象所需的任何内容。
之后，检查所有对象并丢弃没有标记的对象。
通过跟踪活动对象的引用来查找其他活动对象。
每个对象都有一个标志，标志是否属于live集。
有两个阶段：
标记阶段：
从根开始，跟踪图形并在遇到的每个未标记对象中设置标记位。
在标记阶段结束时，未标记的对象是垃圾。
清除：从root开始，清扫堆
未设置标记位：回收对象
标记位置位：标记位清零
标记-压缩
将标记放在您需要的物体上。
将带有标记的任何东西移到库的最后。
烧掉库前放面的一切（全是死内存）。
复制
将您需要的物体移动到新库。
然后递归移动新库中物体所需的任何物品。
之后，烧毁旧库（其中的都已死）
复制集合是一种更简单的解决方案：它挑选出活动对象并将它们复制到“新鲜”堆中
复制垃圾收集
将堆分成两半，称为半空间，命名为Fromspace和Tospace
在Tospace中分配对象
Tospace满员时
翻转（翻转）半空间的角色
选择Fromspace中的所有实时数据并将其复制到Tospace
通过在Fromspace副本中保留转发地址来保持共享
将Tospace对象用作工作队列
▪ Java/JVM的内存管理模型：各时期、各区域的GC方法
Java垃圾回收将堆划分成不同的区域(generation代)，以便GC可以更快地识别可以删除的对象
JVM会自动重新收集不再使用的内存。
垃圾收集器将自动释放不再引用的对象的内存。
要查看垃圾收集器开始工作，请将命令行参数“-verbose：gc”添加到虚拟机。
JVM中的垃圾收集
▪HotSpotVM（Sun JVM）有三个主要空间：年轻代，旧代和永久/元空间生成。
新对象分配到young generation中
GC后仍然存活的对象，提升到old generation中
PermGen/Metaspace中保存VM和class的元数据，以及类的静态变量
根据不同代的不同特征，采用不同的GC算法
In the young generation
每次GC会发现大量死亡对象，少量存活对象
复制算法适合，代价低
In the old generation
对象存活率高，适合采用标记算法
PermGen和Metaspace
PermGen中保存类的定义、静态方法、静态对象的引用等内容
缺点：
PermGen的容量是固定的(缺省或指定)， 固定的容量容易导致运行时的内存溢出错误
Java 8 开始，用Metaspace替代了PermGen，区别在内存分配方面
Metaspace的容量是自动增长的，此外，当类的元数据使用达到了metaspace最大值时，会自动触发GC。
降低了OutOfMemory 的风险，但仍然需要监控和调优，避免内存泄漏
▪ JVM GC性能调优：参数配置、GC模式选择
GC中的性能注意事项：
吞吐量:总时间中非用于垃圾回收的时间
暂停: 由于GC导致的暂停次数
不同用户有不同的GC需求，E.g.，Web用户追求高吞吐量，而图形交互程序则追求低暂停。
scalability(可伸缩性). Promptness（及时性）
需要根据各种情况权衡代的容量，一个代的容量不影响其他代的回收频率和暂停时间。
没有普适的容量设置准则，应根据应用的内存使用和用户需求进行具体问题具体分析。最佳做法是将GC时间控制在执行时间的5%之内。
调整VM堆大小
JVM堆大小决定了虚拟机收集垃圾的频率和时间长短。
对于特定的程序，应分析实际情况后进行调整。
较大的堆，GC速度慢，GC频率低
如果根据内存需求设置堆大小，则完整垃圾回收速度会更快，但会更频繁地发生。
JVM有四种类型的GC实现：
串行垃圾收集器
并行垃圾收集器
CMS垃圾收集器
G1垃圾收集器
串行垃圾收集器
使用一个线程进行垃圾回收，执行时会冻结所有的应用线程，不适合多线程应用。
适合不要求低暂停时间和单机程序。
并行垃圾收集器
对年轻代的回收采用并行方式(多个线程) ，对老年代的回收还是单线程
它是JVM的默认GC，有时也称为吞吐量收集器。 但它在执行GC时也会冻结其他应用程序线程。
CMS垃圾收集器
利用多垃圾回收线程，适用于短回收暂停，且能够在应用程序运行时与垃圾收集器共享处理器资源。
应用程序平均响应较慢，但不会停止响应以执行垃圾收集。
G1垃圾收集器
适用于运行在多处理器大内存空间的应用程序。
▪ Java性能调优工具：jstat, jmap, jhat, Visual VM, MAT
jstat
获取JVM的heap使用和GC的性能统计数据
jstattool显示已检测的HotSpot Java虚拟机（JVM）的性能统计信息，重点关注内存性能，如堆使用情况和垃圾回收（GC）。
jmap
输出内存中的 对象分布情况
jhat
导出heap dump，浏览/查询其中的对象分布情况
jstack
获取Java线程的stack trace
jps (JVM Process Status Tool) 虚拟机进程状况工具
列出当前运行的JVM 进程
jps命令使用java启动程序查找传递给main方法的类名和参数。
VisualVM是一种工具，它提供了一个可视化界面，用于查看有关Java应用程序在JVM上运行时的详细信息
它使用各种技术，包括jvmstat，JMX，Serviceability Agent（SA）和Attach API。
功能
显示本地和远程Java进程
显示流程配置和环境
监控流程性能和内存
应用程序CPU使用率，GC活动，堆和元空间/永久生成内存，已加载类的数量和正在运行的线程。
可视化流程线程
在Java进程中运行的所有线程都会在时间轴中显示，同时显示聚合的
Running，Sleeping，Wait，Park和Monitor时间。
配置文件性能和内存使用
提供采样和仪表分析仪。
获取并显示线程转储
帮助发现分布式死锁。
获取并浏览堆转储
帮助发现低效的堆使用情况并调试内存泄漏。
在线和离线分析核心转储
从核心转储中读取有关崩溃的Java进程及其环境的基本信息，以及提取和打开包含的线程和堆转储。
内存分析器（MAT）
Eclipse Memory Analyzer是一个快速且功能丰富的Java堆分析器，可帮助您查找内存泄漏并减少内存消耗。
使用Memory Analyzer分析具有数亿个对象的高效堆转储，快速计算对象的保留大小，查看谁阻止垃圾收集器收集对象，运行报告以自动提取泄漏嫌疑人。
▪ Java代码调优的设计模式：singleton, prototype/cloneable, flyweight, pool
Singleton Pattern单例模式
某些类在概念上只有一个实例
只创建一个对象，然后复用
对管理重用的代码进行封装
意图：确保类只有一个实例，并提供一个全局访问点
适用性：
只能有一个类的实例，并且客户端可以从众所周知的访问点访问它
当唯一的实例可以通过子类扩展时，客户端应该能够使用扩展实例而不修改它们的代码
好处
对唯一实例的受控访问
缩小命名空间(对全局变量的一种改进)
类通过封装确保对象的复用，不用让客户端考虑
节省创建时间
降低内存消耗
对于系统的核心组件和经常使用的对象，使用单例模式可以有效地提高系统性能。
Flyweight Pattern享元模式
享元模式描述了 如何共享对象，有效支持细粒度的使用而不会产生过高的成本
flyweight是一个共享对象，可在多个情境下同时使用
内在状态：不变的状态，可以共享
外在状态：状态是不固定的，使用时需要计算，不可共享
声明一个接口，flyweights可以通过该接口接收外部状态并对其进行操作
适用性：
应用程序使用了大量的对象，由于对象的数量庞大，存储成本很高
对象的大多数状态是外部状态，一旦删除了外部状态，可以用相对较少的共享对象替代很多组对象
应用程序不依赖于对象标识
Prototype Pattern 原型模式
通过复制已有原型对象新创建对象
目标：创建或初始化对象代价高时，可通过此模式创建相似对象，降低开销
类似于文档模板，创建一次，多次被复制使用，作为撰写文档的起点。
原型模式在初始化创建第一个对象时开销大，然后将这些值作为原型存储在存储库中。
需要再次创建相同或类似对象时，只需从存储库中获取所有值已经预填充的原型副本。
适用性：
当一个系统应该独立于它的产品创建、构成和表示时
当要实例化的类是在运行时刻指定时
为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时
当一个类的实例只能有几个不同状态组合中的一种时，建立相应数目的原型并克隆它们，可能比每次用合适的状态手工实例化该类更方便一些。
Object Pool Pattern 对象池模式
对象池模式
▪对象池模式是一种软件创建设计模式，它使用一组准备使用的初始化对象 - “池” - 而不是按需分配和销毁它们。
▪例如，数据库连接池，打印机池
▪池的客户端将从池中请求对象并对返回的对象执行操作。
▪客户端完成后，将对象返回池而不是销毁它; 这可以手动或自动完成。
▪ 进程和线程
并发模块本身主要分为两种类型:进程和线程
进程是正在运行程序的一个实例，拥有自己私有专用的内存空间
线程是正在运行程序的一个执行路径（一个进程可对应多个线程），线程有自己的堆栈和局部变量，但是多个线程共享内存空间
进程可抽象为虚拟计算机，拥有独立的执行环境和完整的资源
进程间通常不共享内存
进程不能访问其他进程的内存或对象
需要特殊机制才能实现进程间共享内存
进程通信采用的是消息传递方式（因采用标准I/O 流）
进程通常被视为程序或应用程序的同义词，应用程序实际上可能是一组协作进程
为了实现进程间通信，大多数操作系统都支持”进程间通信（IPC）资源”，例如pipe和socket。
Java虚拟机本身的大多数实现都是作为单个进程运行的
线程可抽象为一个虚拟处理器，线程有时也称为轻量级进程
线程与进程中的其他线程共享相同的资源（ 内存，打开的文件等），即“线程存在于进程内”
进程内的线程共享内存，线程需要特殊处理才能实现消息传递和访问私有内存
线程与进程
线程轻量级
进程重量级
线程共享地址空间
进程有自己的
线程需要同步
进程不需要
线程在改变对象时保持锁定
杀死线程是不安全的
安全进程是安全的
▪ 线程的创建和启动，runnable
每个应用程序至少有一个线程
站在程序员角度，main线程是开始线程，可以通过它创建其他的线程
启动线程的方法：
创建Thread类的子类
实现Runnable接口，作为参数传递给 new Thread(…)构造函数
所有的线程都需要实现Runnable接口，并实现run()方法
Runnable接口表示线程要完成的工作。
如何创建一个线程
▪方法1：子类线程
Thread类本身实现了Runnable，尽管它的run方法什么都不做。 应用程序可以子类化Thread，提供自己的run（）实现。
▪调用Thread.start（）以启动新线程。
▪方法2：提供Runnableobject
Runnable接口定义了一个方法run（），意味着包含在线程中执行的代码。 Runnable对象被传递给Thread构造函数。
▪调用Thread.start（）以启动新线程。
惯用法：用一个匿名的Runnable启动一个线程，它避免了创建命名的类
▪ 时间分片、交错执行、竞争条件
时间分片
在某时刻，一个运行核心上只有一个线程可以运行
进程/线程等采用OS提供的时间片机制共享处理时间
当线程数多于处理器数量时，并发通过时间片来模拟，处理器切换处理不同的线程。
时间片的使用是不可预知和非确定性的，这意味着线程可能随时暂停或恢复。
Interleaving 交错交叉/交错
低层的指令间存在交叉
Race Condition 竞争条件
竞争条件：程序的正确性（后置条件和不变性的满足）取决于并发计算A和B中事件的相对时间
在有些情况下会导致违反后置条件和不变性
▪ 线程的休眠、中断
▪ 线程安全的四种策略****
限制可变变量的共享
通过将数据限制在单个线程中，可以避免线程在可变数据上进行竞争
局部变量保存在线程栈中，每个调用都有自己的变量副本
局部变量如果是对象的引用，则要确保不能引用任何其他线程可访问的对象(针对可变对象)
在多线程环境中，取消全局变量
用不可变的共享变量
不可变解决了因为共享可变数据造成的竞争，并简单地通过使共享数据不可变来解决它
final变量不允许再赋值，所以声明为final的变量可以安全地从多个线程访问。
因为这种安全性只适用于变量本身，仍然必须确保变量指向的对象是不可变的。
将共享数据封装在线程安全的数据类型中
StringBuffer 和 StringBuilder都是可变数据类型，功能基本相同
StringBuffer是线程安全的，StringBuilder不是
StringBuilder性能更好，推荐在单线程程序中使用
使用同步机制来防止线程同时使用变量
并发模块彼此间采用同步的方式共享内存，以解决竞争带来的问题
锁是一种抽象，某时刻最多只允许一个线程拥有锁
获取锁的拥有权，如果锁被其他线程拥有，将进入阻塞状态，等待锁释放后，再同其他线程竞争获取锁的拥有权，锁拥有者释放锁的拥有权
同步语句必须指定提供内部锁的对象
同步区域提供了互斥功能: 一次只能有一个线程处于由给定对象的锁保护的同步区域中
锁定时，遵循顺序执行模式
▪ 死锁
由于使用锁需要线程等待（当另一个线程持有锁时），因此可能会陷入两个线程都在等待对方的情况 – 此时都无法继续
死锁描述了两个或更多线程永远被阻塞的情况，都在等待对方
死锁可能涉及两个以上的模块：线程间的依赖关系环是出现死锁的信号
防止死锁的一种方法是对需要同时获取的锁进行排序，并确保所有代码按照该顺序获取锁定
▪ Message passing
Message passing模型用于在客户端和服务器端的进程间通过sockets传递消息
在同一进程的线程间通过message passing传递消息，比通过锁定机制共享内存更受欢迎
使用同步队列在线程之间传递消息
