JVM—内存管理（运行时数据区）、垃圾回收

背景介绍

当JVM类加载器加载完字节码文件之后，会交给执行引擎执行，在执行的过程中会有一块JVM内存区域来存放程序运行过程中的数据，也就是我们图中放的运行时数据区，那这一块运行时数据区究竟帮我们做了哪些工作？我们常说的线上内存泄漏和内存溢出是因为什么？我们今儿来揭开看看它神秘的面纱。

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过程

在讲述运行时数据区有哪些部分之前先讨论以下对象的创建流程

一、对象创建流程

在上一篇文章中已经讲述了类加载的过程，虚拟机需要给new的新对象分配内存空间，重点来说说它的下一步——分配内存

在分配内存的时候有两种方式：

1、指针碰撞

假设Java堆内存规整，所有的内存占用是连续空间，通过一个指针将已经使用和未使用的空间隔开，指针作为临界。

2、空闲列表

假设Java堆内存不规整，内存占用是零散的，此时JVM通过一个空闲列表（Free List）维护空闲内存信息，里面记录了哪些内存空间是可用的。再次分配新对象的时候直接从空闲列表中找哪块空间可以使用进行分配即可

但是在并发情况下可能会出现线程安全的问题，对象1和对象2同时拿到指针，对象1在分配完内存空间之后对象2也会分配内存空间，对象2就会把对象1的空间覆盖，导致数据被覆盖。那怎么解决这个问题呢？

两种方案解决线程不安全：

1、CAS：自旋锁不断重试

2、TLAB：在堆内存给每个线程预先分配一块内存，线程中每次要开辟空间就在预分配的内存中开辟

下面就进入我们的正题——内存管理

• 线程共有：堆、方法区
• 线程私有：程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈

二、内存管理

1、 程序计数器(PC)

上官方百度百科介绍：

作用：存放当前线程执行的下一条指令地址。
在多线程环境下线程之间会涉及到线程切换问题，为了保证线程切换之后还能继续按照上一次切换的位置继续执行，PC会进行指令的记录。PC是线程独有的，不可共享

2、Java虚拟机栈

作用：

每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，保存了一个一个的栈帧 。针对栈帧我们来具体说说，下图为Java虚拟机中栈帧的内部结构，每执行一个方法都会创建一个栈帧(一个方法对应一个栈帧) ，而栈帧中包含了四部分：局部变量表、操作数栈、方法返回地址、动态链接，而每一个栈帧执行的过程也是入栈、出栈的过程。

包括：

• 操作数栈(Operand Stack)：用来在执行字节码指令过程中用来计算的
• 局部变量表(LocalVariables)：在方法执行过程中实时记录每个局部变量对应的值
• 方法返回地址(Return Address)：地址
• 动态链接(Dynamic Linking)：符号引用转换为调用方法的直接引用
  
  

特点：

• 线程私有
• 遵守栈FIFO规则，方法开始执行栈帧入栈，方法执行完栈帧弹出，所以虚拟机不需要垃圾回收
  
  

存在的问题：

• 如果线程太多了，但是没有足够空间创建虚拟机栈，会发生栈溢出
• 方法调用层次太多，可能出现StackOverflowError
  
  
  

3、本地方法栈(Native Method Stacks)

作用：存储Native方法

4、方法区(Method Area)

作用：
存储被Java虚拟机加载过后的class类信息、常量、静态变量、编译后的代码
不知道大家是否还记得上一篇分享中讲到的类加载过程，其中加载这一步会通过类全限定名加载成class类对象，其中就会把class信息、静态变量、常量等信息加载到方法区，看下面这张图

5、堆(Heap)

所有线程共享的一块内存区域，在new对象的时候会在Heap分配内存空间。可以细分为：

• 年轻代和老年代，对应的比例为2：1 ，新生代存放朝生夕死的对象，老年代存放生命周期较长的对象
• 年轻代又可以分为Eden、From Survivor、ToSurvivor三个区，对应的比例为：8：1：1（默认情况下，可以通过-XX：SurvivorRatio来调整）
  
  

那三个区域中对象是如何进行流转的呢？我们具体来看一下

1、在最开始讲述对象创建流程中包含了一步是分配内存，就是通过指针碰撞或空间散列在Heap中分配内存，新new对象的对象JVM会默认优先分配在Eden区，当Eden区空间逐渐减少（可以默认配置Eden空间容量）的时候，就会触发Young GC来清理，Eden区对象就会放入Survivor区；
2、Survivor区每次分配内存只使用其中一块，Eden和Survivor存活对象会复制到另一块Survivor区中，Eden和原来的Survivor区对象会被清理掉。（这也是为什么图中我只在其中一个Survivor区画了对象，另一块Survivor区没画的原因）
3、在对象头中记录了对象迭代的年龄（年龄计数器），当进入Survivor区开始每YoungGC一次年龄就会+1，当年龄达到15的时候就会进入老年代

从图上我们看到进入老年代的条件远不止年龄>=15这一个，对象会进入老年代的方式共有四个：

1. 长期存活：对象头中记录了对象迭代的年龄，每次迭代都会—+1，当年龄达到15(默认)
2. 超大对象：占用大量连续空间
3. 动态年龄判断：servivor中相同年龄对象的总和>survivor空间一半
4. 空间分配担保：Young GC后，新生代有大量对象对象存活，需要老年代分配担保

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三、垃圾回收

垃圾回收是什么？

清理不再使用的对象，释放内存空间

为什么要进行垃圾回收？

如果不清理这些垃圾对象，那么它们会一直占用着内存，而不能给其他对象是用，最终垃圾对象越来越多，就会出现OOM

什么样的对象是垃圾？

JVM没有任何引用指向它的对象

如何判断对象是垃圾？

1、引用计数法

每个对象都保存一个引用计数器属性，用户记录对象被引用的次数，每被引用一次计数器值就+1；当引用失效时就-1。当计数器为0则表示是垃圾对象

2、可达性分析

从GC Roots开始，遍历，一层一层的往下级找引用对象，找到的对象就是存活对象，没找到的就是垃圾对象

垃圾回收的三种方式分别是哪些？

1、标记-清除算法（Mark-Sweep）

标记：标记出未引用对象
清除：回收所有被标记的未引用对象

问题：

1. 如果堆内包含了大量的对象都是需要被回收，这时会执行大量标记和清除操作，导致执行效率降低
2. 内存空间碎片化，标记和清除后会产生大量不连续的内存碎片，导致在之后在给对象分配内存空间的时候因为内存不足而再次触发Young GC
   
   

2、标记-复制算法（Mark-Copying）

基于标记-清除算法，解决碎片化问题。上文中我也提到了新生代中Survivor分为了From、To两个区域，每次只使用其中一块，当其中一块内存用完了，会将存活的对象复制到另一块区域上，然后清理掉使用的survivor区域，保证内存区域连续可用。

问题：
空间一分为2，利用率低，空间浪费

3、标记-整理（Mark-Compact）

基于标记-清除算法，解决内存碎片和空间浪费问题。将存活的对象向一端移动，清除标记的垃圾对象，保证区域连续可用
问题：
内存变动大，当对象位置移动相应的引用地址也会变动

如何选用使用什么回收算法呢？

分代回收：基于heap各个区域对象生命周期来看，每个区域采用不同的回收算法：

• 新生代：标记-复制
• 老年代：标记-清理/标记-整理