JVM 内存管理 你知道多少

JVM 内存管理 你知道多少

1、概述

​  “Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有的区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。”

Java 虚拟机运行时的数据区：

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补充：

​  线程隔离的数据区：

• 虚拟机栈（VM Stack）
• 本地方法栈（Native Method Stack）
• 程序计数器（Program Counter Register）

​  线程共享的数据区：

• 方法区（Method Area）
• 堆（Heap）

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2、Java 内存区域

• 程序计数器（Program Counter Register）

  ​  程序计数器 是 用于存放下一条（Java 虚拟机）字节码指令所在单元的地址 的地方，该区域所在的内存 属于 “线程私有”内存。

  ​  如果 线程 正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器的值为正在执行的 （Java 虚拟机）字节码指令的地址；如果 线程 正在执行的是本地（Native）方法，则这个计数器的值为空。

• 虚拟机栈（VM Stack）

  ​  虚拟机栈 是 用于存放 栈帧（Stack Frame） 的地方，每当一个（Java）方法被执行时，Java 虚拟机 就会创建一个 栈帧，栈帧 存储着 局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息，一个（Java）方法 从 调用 到 执行完毕 的过程 对应着 栈帧 入栈 到 出栈 的过程，该区域所在的内存 属于 “线程私有” 内存。

• 本地方法栈（Native Method Stack）

  ​  本地方法栈 的功能与 虚拟机栈 相似，唯一不同的是 虚拟机栈 服务于 虚拟机执行 Java 方法，本地方法栈 服务于 虚拟机执行本地方法，该区域所在的内存 属于 “线程私有” 内存。

• 堆（Heap）

  ​  堆 是 用于存放（Java）对象实例 的地方，该区域所在的内存 属于 “线程共享” 内存。

  ​  堆 是 垃圾收集器 管理的内存区域，因此也被称为 “GC堆”。

  ​  堆的大小 可以通过 （Java 虚拟机）参数 -Xmx 和 -Xms 进行设定。

• 方法区（Method Area）

  ​  方法区 是用于存放 被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据 的地方，该区域所在内存 属于 “线程共享” 内存。

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扩展：

• 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

  ​  运行时常量池 是 方法区 的一部分，用于存放 编译期生成的各种 字面量 与 符号引用。

• 直接内存（Direct Memory）

  ​  直接内存 并不属于 Java 内存区域，但这部分内存也被频繁地使用到，例如：通过 Native 函数库直接分配 堆外内存，减少数据传输损耗，提高性能。

  ​  直接内存 只受本机内存限制。

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3、Java 对象

3.1、对象的创建

​  在 Java 语言中，创建一个对象仅仅需要一个关键字 new ，但在 Java 虚拟机 中，创建一个对象则需要经过以下几个步骤。

​  1、当 Java 虚拟机 遇到一条字节码 new 指令时，首先会去检查 这个指令的参数 是否能在 常量池 中定位到 一个类的符号引用，并且检查这个 符号引用代表的类 是否 已被加载、解析和初始化过，如果没有就先执行 该类的类加载过程。

​  2、在类加载检查通过后，虚拟机 通过 “指针碰撞”（或 “空闲列表”）分配方式 在 堆 中为 该对象分配内存空间。

​  3、内存空间分配完成之后，虚拟机 必须将 分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为 零值。

​  4、接下来，虚拟机 还将对 对象 进行必要的设置，如：该对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码（延后至 Object:hashCode() 的调用 才进行计算）、对象的 GC 分代年龄等，这些信息均存放于 对象的对象头中。

​  5、至此，从虚拟机的角度来看，一个新的对象已经诞生，但从 Java 程序的角度来看，对象的创建才刚刚开始（构造函数还没有执行），接下来即是 执行构造函数（在虚拟机中体现为 () 方法）完成对 对象的初始化，正式完成对 对象的构造。

3.2、对象的内存布局

​  对象 在 堆 中的内存布局可以划分为三个部分：

• 对象头（Header）
  • 对象自身的运行数据：哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等
  • 类型指针：指向 对象的类型元数据（即 是哪个类的实例）
• 实例数据（Instance Data）
  • 字段内容
• 对其补充（Padding）
  • 占位符

3.3、对象的访问定位

​  Java 程序在使用对象时，会通过 栈 上的 reference 数据来操作 堆 中的具体对象，而 reference（引用） 访问定位 堆 中的对象可分两种方式：

• 句柄访问

  ​  堆 中划分出一块内存作为句柄池（句柄包含 对象实例数据地址 与 类型数据地址），reference 中存储的就是 对象的句柄地址。

  ​  优势：reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针。

• 直接指针访问

  ​  reference 中直接存储 对象地址。
  

   优势：相较于句柄方式 节省了一次指针定位的时间开销，提高了访问速度。

3.4、对象的引用

• 强引用（Strongly Reference）

  ​  指 在程序代码中的引用赋值（ Object obj = new Object() ），只要 强引用关系 还存在，垃圾收集器 就永远不会回收掉 被引用的对象。

• 软引用（Soft Reference）

  ​  指 一些还有用、但非必须的对象，在系统将要发生 内存溢出异常 前，垃圾收集器 会将这些对象进行回收。

  ​  JDK1.2 后，提供 SoftReference 类 实现 软引用。

• 弱引用（Weak Reference）

  ​  指 一些非必须的对象，当 垃圾收集器 开始工作时，无论当前内存是否充足，都会将这些对象进行回收。

  ​  JDK1.2 后，提供 WeakReference 类 实现 弱引用。

• 虚引用（Phantom Reference，又称 “幽灵引用” 或 “幻影引用”）

  ​  一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例，它存在的唯一目的只是：为了能在这个对象被 垃圾收集器 回收时收到一个系统通知。

  ​  JDK1.2 后，提供 PhantomReference 类 实现 虚引用。

3.5、对象的存亡

​  当一个对象 “死亡” 时，GC（Garbage Collection，垃圾收集）会将该对象清除 并 回收分配给该对象的内存空间。那么，GC 怎么判断一个对象是否 “死亡” 了呢？

​  GC 判断一个对象是否 “死亡” 通常有以下两种算法：

• 引用计数算法

  ​  在 对象 中添加一个 引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值加一；每当有一个地方的引用失效时，计数器值减一；任何时刻计数器值为 零 的对象就是 “已死亡” 的对象（即 该对象不可能再被使用）。

  • 优点：原理简单，判断效率高
  • 缺点：占用额外的内存空间、无法解决对象间的循环引用问题

• 可达性分析算法

  ​  以 “GC Roots”（根对象）作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径被称为 “引用链（Reference Chain）”，如果 某个对象 到 “GC Roots” 间没有任何 引用链 相连（或者 用图论的话来说就是 从 “GC Roots” 到 这个对象不可达）时，该对象 “已死亡”（即 该对象不可能再被使用）。

  • 优点：解决了对象间的循环引用问题
  • 缺点：相较于 引用计数算法 判断效率 没那么高

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  扩展：Java 中的 “GC Roots”

  • 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中 引用的对象，如：当前正在运行的方法 所使用到的 参数、局部变量、临时变量等
  • 方法区中 类静态属性 引用的对象，如：Java类 的引用类型静态变量
  • 方法区中 常量 引用的对象，如：字符串常量池里的引用
  • 本地方法栈中 JNI（Native 方法）引用的对象
  • Java 虚拟机 内部的引用，如：基本数据类型对象的 Class 对象、一些常驻的异常对象（NullPointException、OutOfMemoryError）、系统类加载器
  • 所有被同步锁（synchronized 关键字）持有的对象
  • 反映 Java 虚拟机 内部情况的 JMXBean、JVMTI 中注册的回调、本地代码缓存等
  • 不同垃圾收集器 和 不同回收的内存区域 中的 “临时性” 对象

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补充：

• 对象的 “缓刑”：

​  当一个对象在 可达性分析算法 中判定为 不可达对象时，该对象会进入 “缓刑” 阶段：检测该对象是否有必要执行 finalize() 方法。

​  如果对象没有覆盖 finalize() 方法（或 finalize() 方法已经被虚拟机调用过），则 虚拟机 认为该对象 没必要执行 finalize() 方法，真正宣布其 “死亡”；

​  否则，虚拟机 认为该对象 有必要执行 finalize() 方法，并将该对象放入 F-Queue 队列中，然后由虚拟机 自动建立的、低调度优先级 的 Finalizer 线程 去执行它的 finalize() 方法（这里的 “执行” 是指虚拟机会触发这个方法开始运行，但并不承诺一定会等待它运行结束）。

• 对象的 “重生”：

​  当对象在 finalize() 方法中 重新与引用链上的任何一个对象建立关联，如：把自己（this 关键字）赋值给某个类变量或者对象的成员变量，即 该对象获得 “重生”（移出 “即将回收” 的集合）。

​  相反，如果该对象在 finalize() 方法中 没能重新与引用链上的任何一个对象建立关联，该对象也将面临 “死亡”。

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4、垃圾收集算法

4.1、分代收集理论

​  分代收集名为理论，实质是一套符合大多数程序运行实际情况的经验法则，它建立在两个分代假说和一条经验法则之上。

• 弱分代假说（Weak Generational Hypothesis）：绝大多数对象都是朝生夕灭的

• 强分代假说（Strong Generational Hypothesis）：熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡

• 跨代引用假说（Intergenerational Reference Hypothesis）：跨代引用相对于同代引用来说仅占极少数

​  基于 分代收集理论，垃圾收集器 一致的设计原则为：收集器应该将 Java 堆划分出不同的区域，然后将回收对象依据其年龄（即对象熬过垃圾收集过程的次数）分配到不同的区域之中存储。

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补充：

Java 堆的分代

• 新生代（Young Generation）
• 老年代（Old Generation）

分代收集

• 部分收集（Partial GC）：
  • 新生代收集（Minor GC / Young GC）：只对新生代进行垃圾收集
  • 老年代收集（Major GC / Old GC）：只对老年代进行垃圾收集
  • 混合收集（Mixed GC）：既对 整个新生代进行垃圾收集，也对 部分老年代进行垃圾收集
• 整堆收集（Full GC）：对整个 Java 堆 和 方法区 进行垃圾收集

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4.2、标记 - 清除算法

​  算法分为 “标记” 和 “清除” 两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成之后，统一回收掉所有被标记的对象（或统一回收掉所有未被标记的对象）。

​  缺点：产生碎片空间。

4.3、标记 - 复制算法

​  将内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块，当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另一块上，然后再把已使用过的内存空间一次性清理掉。

​  缺点：可用内存减半。

4.4、标记 - 整理算法

​  算法的标记过程 与 “标记 - 清除算法” 一致，整理过程则是：将所有存活的对象都向内存空间一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。

​  缺点：移动 大对象 可能造成较久的停顿。

以上全部内容均来自于对 周志明老师的 《深入理解 Java 虚拟机》的部分内容的总结。
我的总结于这本书的内容相比，无亦于水滴同大川，真心推荐大家去细读这本书。
以上内容仅用于个人学习。