JVM内存回收机制使用及说明

1.JVM运行时数据区

JVM运行时数据区域，也叫JVM内存布局。很多人容易把它和Ja va内存模型搞混，其实两者完全不同。JVM内存布局由五大块组成，下面一一拆解。

1.堆区（线程共享）：程序中创建的所有对象都保存在堆中，这也是JVM里最大的内存区域。

2.栈（线程私有）：

• Ja va虚拟机栈：生命周期和线程相同，描述了Ja va方法执行时的内存模型。每个方法执行时都会创建一个栈帧，用来存储局部变量、方法调用关系、动态链接、方法出口等信息。
• 本地方法栈：和虚拟机栈类似，但专门给本地方法使用，这些本地方法通常由C++编写。

3.程序计数器（线程私有）：保存下一条要执行的指令的地址。注意，这里不是CPU寄存器，而是内存空间，指令是Ja va字节码，不是二进制机器语言。

4.元数据区（以前叫方法区）：保存Ja va代码中涉及类的相关信息，比如类的静态属性等。

在一个Ja va进程里，元数据区和堆各只有一份，所有线程共用这同一份数据。而每个线程都有自己的程序计数器和栈，所以每个线程都需要保存自己的“程序计数器”，也需要记录自己的调用关系。

来测一下掌握程度——下面这段代码中的变量，分别存在哪个区域？

public class test4 {
    static class  Test{
        private int a;
        private Test b = new Test();
        private static int c;
        private static Test d = new Test();
    }
    public static void main(String[] args) {
        int e = 10;
        Test f = new Test();
    }
}

一般规律：

• 局部变量 → 栈
• 成员变量 → 堆
• 静态成员变量 → 元数据区（方法区）

2.JVM类加载过程

一个类的生命周期大致可以分为以下几个阶段。

写一个Ja va程序，得到的是.ja va文件，经过ja vac编译后变成.class文件。要运行Ja va进程，JVM就需要读取.class文件并执行里面的指令。

• JVM读取.class内容的过程就是类加载——把类涉及的字节码从硬盘读到内存里。
• 每加载一个.class文件，就会对应创建一个类对象，里面包含了该类的各种信息：类名、属性、方法、继承的父类、实现的接口等等。

具体步骤：

1.加载：找到.class文件，打开并读取内容。代码中先看到类的名字，然后进一步找到对应的.class文件，这涉及一系列目录查找过程。

2.验证：验证读到的.class文件数据是否正确、是否合法。Ja va标准文档对.class文件的格式做了明确规定。

3.准备：分配内存空间。根据读取到的内容大小，确定类对象需要的内存空间，申请这块空间并全部初始化为0。

4.解析：主要针对类中的字符串常量进行处理。Ja va虚拟机将字符串常量池中的符号引用替换为直接引用，也就是初始化常量。符号引用是.class文件中符号的位置（偏移量），直接引用则直接保存变量的地址。

5.初始化：针对类对象做最终的初始化操作，执行静态成员赋值语句。

3.双清委派模型

操作：输入一个类的全限定名（比如ja va.lang.String），得到对应的.class文件。这属于JVM加载类中的第一个机制——加载。

• Bootstrap ClassLoader：加载标准库中的类
• ExtensionClassLoader：加载扩展库的类
• ApplicationClassLoader：负责加载第三方库的类

为什么要这样设计？

核心目的是防止用户自己写的类把标准库或扩展库给覆盖掉。保证标准库的类优先级最高，扩展库其次，第三方库最后。这样能避免程序员不小心创建了一个和系统已有类重名的类，导致加载时覆盖掉系统类。

4.垃圾回收机制（GC）

GC主要发生在哪里？栈和程序计数器跟着线程结束而结束，元数据区里的类对象加载有上限，不会无限增长。所以堆是GC的主战场。垃圾回收以对象为维度进行。

GC回收流程有两大步：

• 1. 找出谁是垃圾
• 2. 释放垃圾的内存空间

找出谁是垃圾：方案一 引用计数

给每个对象分配一个计数器，衡量有多少个引用指向它。每增加一个引用，计数器+1；每减少一个引用，计数器-1。如果计数器为0，说明这个对象是垃圾，需要回收。

当对象计数器为0，就视为垃圾。但这个方案有两个问题：

1. 消耗额外空间存计数器。假设一个Test类只有一个int成员（4字节），那么还要花2个字节存计数器，内存多用了50%。

2. 循环引用会导致判定出错。比如两个对象互相引用，计数器都不为0，都无法释放。

找出谁是垃圾：方案二 可达性分析

用时间换空间。JVM中专门有一个周期性的线程，扫描代码中的所有对象，判定某个对象是否“可达”。不可达的就是垃圾。具体做法是：JVM维护一个所有对象的总名单，按照名单“点名”，没到的就是垃圾；或者从一组GC Root出发，遍历所有对象，遍历不到但名单上存在的就是垃圾。

释放垃圾的内存空间

1. 标记-清除法：直接对内存空间进行标记清除，但可能导致碎片化空间无法充分利用。剩下的碎片空间不容易申请连续空间。

2. 复制算法：把被回收后的空间一分为二，把不是垃圾的对象拷贝到另一侧，确保回收后得到连续空间。缺点很明显：内存利用率低，而且如果存活对象多，复制成本也很大。

3. 标记-整理：和标记-清除类似，但后续不是直接回收对象，而是让所有存活对象都向前移动，最后直接清理掉边界标记的内存。

4. JVM中真正的解决方案——分代回收。

判断垃圾：JVM依据对象年龄对区域划分

对象的年龄通过可达性分析扫描来获得，每次扫描后年龄+1。

• 伊甸区：比较大，存放新创建的对象。大多数新对象活不过第一轮GC，存活下来的拷贝到幸存区。
• 幸存区：有两个，按照复制算法将存活对象反复复制。幸存区里也会为了保留完整空间进行左右多次复制。
• 一个对象在幸存区多次拷贝，年龄不断增长，最终会进入老年代。
• 老年代的对象生命周期一般较长，但也要进行可达性分析，只是GC频率较低。老年代主要采用标记-整理算法。

回收垃圾方式：分代回收

分代回收是JVM GC的基本思想。JVM还提供了多种“垃圾回收器”，对分代回收做进一步扩展和实现。

CMS的设计理念是把整个GC过程拆分成多个阶段，尽量和业务线程并发运行，减少STW（Stop-The-World）时间。

G1则把整个内存分成很多块，不同颜色表示不同区域（新生代、老年代、幸存区等）。进行GC时不要求一个周期就把所有内存都回收，只回收一部分就好，限制一轮GC的工作量，目的是把STW控制在一定范围内，降低影响。