Java内存区域和GC机制

一、Java GC机制

主要完成3件事：确定哪些内存需要回收，确定什么时候需要执行GC，如何执行GC。

二、我们将从4个方面学习Java GC机制

1、内存是如何分配的
2、如何保证内存不被错误回收（即：哪些内存需要回收）
3、在什么情况下执行GC以及执行GC的方式
4、如何监控和优化GC机制

三、程序计数器

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。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（native，由C语言编写完成）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。

四、虚拟机栈

一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧（Statck Frame），栈帧中存储的有局部变量表、操作站、动态链接、方法出口等，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）。每个线程对应着一个虚拟机栈，因此虚拟机栈也是线程私有的。

五、本地方法栈

本地方法栈在作用，运行机制，异常类型等方面都与虚拟机栈相同，唯一的区别是：虚拟机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是用来执行native方法的，在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。本地方法栈也是线程私有的。

六、堆区

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。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。

七、方法区

对于之前的HotSpot Java虚拟机的实现方式中，将分代收集的思想扩展到了方法区，并将方法区设计成了永久代。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（即加载类时需要加载的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、静态变量、编译器即时编译的代码等。在方法区上定义了OutOfMemoryError:PermGen space异常，在内存不足时抛出。

八、直接内存

比如，你有4G的内存，JVM占用了1G，则其余的3G就是直接内存，JDK中有一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的内存分配方式，将由C语言实现的native函数库分配在直接内存中，用存储在JVM堆中的DirectByteBuffer来引用。由于直接内存收到本机器内存的限制，所以也可能出现OutOfMemoryError的异常。

九、引用访问

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。
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；

这段代码的执行会涉及java栈、Java堆、方法区三个最重要的内存区域。

假设该语句出现在方法体中，及时对JVM虚拟机不了解的Java使用这，应该也知道obj会作为引用类型（reference）的数据保存在Java栈的本地变量表中，而会在Java堆中保存该引用的实例化对象，但可能并不知道，Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据的地址信息（如对象类型、父类、实现的接口、方法等）保存在方法区中。

十、GC 清理机制

1、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、年老代、永久代（也就是方法区）。

（1）年轻代：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。
年轻代可以分为3个区域：
Eden区和两个存活区（Survivor 0 、Survivor 1）
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。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）

（2）年老代：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Major GC，也叫 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）

十一、Java GC机制

在新生代中，使用“停止-复制”算法进行清理，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，HotSpot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。
永久代的回收有两种：常量池中的常量，无用的类信息，常量的回收很简单，没有引用了就可以被回收。无用类，该类的实例已经被回收，加载该类的classLoader已经被回收，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

Minor GC从年轻代空间（包括 Eden 和 Survivor 区域）回收内存

Major GC 是清理永久代。

Full GC 是清理整个堆空间—包括年轻代和永久代。

1、什么时候回收

上面说到GC经常发生的区域是堆区，堆区还可以细分为新生代、老年代，新生代还分为一个Eden区和两个Survivor区。
1.1 对象优先在Eden中分配，当Eden中没有足够空间时，虚拟机将发生一次Minor GC，因为Java大多数对象都是朝生夕灭，所以Minor GC非常频繁，而且速度也很快；

1.2 Full GC，发生在老年代的GC，当老年代没有足够的空间时即发生Full GC，发生Full GC一般都会有一次Minor GC。大对象直接进入老年代，如很长的字符串数组

1.3 发生Minor GC时，虚拟机会检测之前每次晋升到老年代的平均大小是否大于老年代的剩余空间大小，如果大于，则进行一次Full GC，如果小于，则查看HandlePromotionFailure设置是否允许担保失败，如果允许，那只会进行一次Minor GC，如果不允许，则改为进行一次Full GC。

2、哪些内存需要回收

Java并不是采用引用计数算法来判定对象是否可用，而是采用根搜索算法(GC Root Tracing)，当一个对象到GC Roots没有任何引用相连接，用图论的来说就是从GC Roots到这个对象不可达，则证明此对象是不可用的，说明此对象可以被GC。对于这些不可达对象，也不是一下子就被GC，而是至少要经历两次标记过程：如果对象在进行根搜索算法后发现没有与GCRoots相连接的引用链，那它将会第一次标记并且进行一次筛选，筛选条件是此对象有没有必要执行finalize()方法，当对象没有覆盖finalize()方法或者finalize()方法已经被虚拟机调用执行过一次，这两种情况都被视为没有必要执行finalize()方法，对于没有必要执行finalize()方法的将会被GC，对于有必要有必要执行的，对象在finalize()方法中可能会自救，也就是重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可。

3、如何回收

在新生代中，每次垃圾收集都发现有大批对象死去，只有少量存活，则使用复制算法，新生代内存被分为一个较大的Eden区和两个较小的Survivor区，每次只使用Eden区和一个Survivor区，当回收时将Eden区和Survivor还存活着的对象一次性的拷贝到另一个Survivor区上，最后清理掉Eden区和刚才使用过的Survivor区，Eden和Survivor的默认比例是8：1，可以使用-XX:SurvivorRatio来设置该比例。而老年代中对象存活率高，没有额外的空间对它进行分配担保，必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法。

4、根搜索算法

这个算法的基本思路就是通过一系列的名为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说就是从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。如图3-1所示，对象object 5、object 6、object 7虽然互相有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将会被判定为是可回收的对象。

在Java语言里，可作为GC Roots的对象包括下面几种：

（1）虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中的引用的对象
（2）方法区中的类静态属性引用的对象
（3）方法区中的常量引用的对象
（4）本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）的引用的对象