Java 内存分配与垃圾回收机制

程序计数器:

• 用于指示当前线程执行的指令行号，字节码解释器通过改变它的值选取下一条待执行的指令；

• 分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复都需要依赖它；

• 它是线程私有的；

栈:

• 存储和方法执行相关的信息：栈帧(Stack Frame)；

• 栈帧包含: 局部变量表(基本数据类型和引用)、操作栈、动态链接、方法出口等信息；

• 每一个方法从被调用到运行结束都对应着栈帧从入栈到出栈的过程；

• 根据方法类型，可分为虚拟机栈和本地方法栈；

• 它也是线程私有的；

堆:

• 存储对象实例，是 GC 管理的主要区域，

• 根据对象生存周期，它被分为新生代(YoungGen)和老年代(TenuredGen)，而新生代又分为 Eden、FromSurvivor 和 ToSurvivor；

• 它也是所有线程共享的；

方法区：

• 存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译的代码等；

• HotSpot 虚拟机通常将它和”永久代”(PermanentGen)等同，该区域一般不会发生 GC；

• 它也是所有线程共享的；

直接内存：

• 它与 NIO 中的 Channel 和 Buffer 有关，采用 native 方法直接分配堆外内存；

• 它通过存储在 Java 堆内存中 DirectByteBuffer 对象中的引用进行 I/O 操作；

“内存溢出”与”内存泄漏”：

• “内存溢出”是指无法再分配所需的内存；

• “内存泄漏”是指已分配的内存无法释放，多次泄露会导致内存溢出；

• 常见的情况是 new 的对象用完后没有及时 delete(回收)，造成内存无法释放；

• 发生的位置：

  • 堆( Xmx/ Xms)：对象实例未及时释放或生命周期过长；

  • 栈( Xss)：请求的栈深度(方法调用层级或递归)超出允许最大值，或无法分配更多内存；

  • 常量区( XX:PermSize/ XX:MaxPermSize)：通常是 String 相关操作导致的，比如 String.intern()，如果该对象不存在就会添加到常量池；

  • 直接内存( XX:MaxDirectMemorySize)：其大小默认与最大堆内存一样；

垃圾回收算法：

引用计数：

• 标记引用数，检查是否为 0；

• 无法解决循环引用问题；

分代：

• 根据对象生存周期将内存分为：新生代(Eden/Survivor)、老年代(TenuredGen)、永久代(PermanentGen)；

• 绝大部分对象存活周期很短，所以新生代一般是一个 80% 的 Eden + 两个 10% 的 Survivor；

• 新生代一般采用”拷贝”算法；老年代一般采用”标记清理”或”标记整理”算法；

拷贝：

• 将可用内存分为两个部分，每次只使用其中一块，避免产生大量内存碎片；

• 如果使用中的那一块内存用完，就将存活的对象拷贝到另一块未使用的内存上，并将使用过的那一块全部清理；

• 实际拷贝时是将 Eden 空间和其中一个 Survivor 中存活的对象拷贝到另一个 Survivor 中；

根搜索：

• 从所有 GC Root 对象向下搜索，如果和指定对象之间没有可达的引用路径，则可被回收；

• Root 对象包括：

  • 虚拟机栈中的引用对象；

  • 本地方法栈中的 JNI 引用对象；

  • 方法区中的静态引用对象和常量引用对象；

标记-清理：

• 搜索结束后，没有引用链的对象会被标记，一般会经历两次标记；

• 如果 finallize() 方法没有重写或者已经调用过，则会将该对象放到 F-Queue 队列中等待 Finallizer 线程执行清理；

• 如果该对象此时要防止被回收，只需要将自己与其他存活对象建立引用关联即可；

• 缺点：标记和清理过程效率低，并且会产生大量内存碎片；如果以后程序无法分配到足够的连续内存，会再次触发 GC；

标记-整理：

• 标记后并不是直接清理，而是将所有存活对象都向一端移动，然后清理掉边界以外的内存；

垃圾回收器：

Serial：

• 回收时需要暂停所有工作线程；

• 简单高效(没有线程交互开销)，是 Client 模式下的默认新生代收集器；

Serial Old：

• 它是 Serial 的老年代版本，同样单线程；

ParNew：

• 在 Serial 基础上添加了多线程支持，是第一款并发收集器，也是 Server 模式下的默认新生代收集器；

• 除了 Serial，目前只有 ParNew 能和 CMS 配合工作；

CMS(Concurrent Mark Sweep)：

• 它追求的是最短停顿时间，适合频繁与用户交互的场景；

• 分为四个步骤：

  • 初始标记：快速标记 Root 对象能直接关联的对象(需要暂停用户线程)；

  • 并发标记：跟踪查找引用链；

  • 重新标记：修正上一步并发期间的标记(需要暂停用户线程)；

  • 并发清理；

• 缺点：

  • 占用 CPU 资源，影响吞吐量；

  • 无法处理并行过程中新产生的垃圾，只能等待下次 GC；

  • 由于采用“标记-清理”算法，会产生内存碎片；

Parallel Scavenge：

• 它追求的是更大的吞吐量(用户代码运行时间与总时间的比值)，适合后台任务；

• 如果粗暴地减小新生代，虽然可以减小停顿时间，但会是 GC 变得频繁，并且牺牲了吞吐量；

• 该收集器除了可以设置最大停顿时间和吞吐量，还可以开启自适应策略动态调整参数；

Parallel Old：

• 它是 Parallel Scavenge 的老年代版本；

G1：

• 基于“标记-整理”算法，不会产生内存碎片；

• 可以精确控制某个时间段内的最大 GC 停顿时间；

• 之前的回收器的收集范围都是整个新生代或老年代，而 G1 将则它们分为多个大小固定的区(Region)，并且跟踪其垃圾堆积程度，每次都优先回收垃圾最多的区域；

内存分配与 GC 触发策略：

• 一般新对象优先分配在新生代的 Eden，如果空间不够则发起一次 Minor GC；

• 大对象(很长的字符串或数组)直接分配在老年代，避免 GC 时发生大量内存拷贝；

• 更新对象年龄：

  • 虚拟机给每个对象定义了 Age 计数器，Eden 中新创建的对象 Age 为 0；

  • Eden 中的对象若在 Minor GC 后存活，则移入 Survivor(如果可以容纳的话)，且 Age++；

  • Survivor 中的对象若经历 Minor GC 后仍然存活，则 Age++；

  • 当 Survivor 中某对象的Age超过阈值(默认 15)时，会被移入老年代；

• 空间分配担保：

  • 若 Minor GC后 仍有大量存活对象(Survivor 空间不够)，则需要老年代进行空间分配担保；

  • 检测之前移入老年代的对象平均大小，如果大于老年代剩余空间，则进行一次 Full GC 让老年代释放部分空间；

  • 如果小于则进一步检测 HandlePromotionFailure 设置是否允许担保失败，如果不允许则仍会进行 Full GC；

参考： 《深入理解 Java 虚拟机（第 2 版）：JVM 高级特性与最佳实践》