引言

　　如果你被問及Android內存泄露，而你只能背出幾種常見的內存泄露的場景以及解決方案，卻不能從更深層次的原理上去解釋它，那麼是時候補一補Java虛擬機的基礎知識了。文章較長，請耐心閱讀，相信會有所收穫。

Java內存區域劃分

　　許多程序員將Java內存簡單粗暴地分爲棧內存和堆內存，事實上，它至少可以分爲堆、棧、方法區、本地方法棧等部分。借用《深入理解Java虛擬機》一書中的一張圖，看圖說話。

棧(Stack)：
　　圖中稱作虛擬機棧(VM Stack)，這裏簡稱棧。棧內存用作在方法執行時創建棧幀(Stack Frame)存放局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等。而局部變量表存放基本數據類型、對象引用、returnAddress類型的數據。方法調用時棧幀進棧，執行結束時棧幀出棧，局部變量自動銷燬，不需要GC。想一想遞歸調用的“棧溢出”就很好理解了，以及Debug時查看的調用棧。棧內存是線程私有的，即每條線程都有獨立的存儲，各條線程之間互不影響。棧內存的特點是分配效率高但是容量有限。
堆(Heap)：
　　主要存放對象實例和數組，是線程共享的。堆內存中的對象不會隨着方法執行結束而銷燬，需要GC。它的特點是容量大，是Java內存管理中最大的一塊，是GC主要區域，也是內存泄露的主要區域。
方法區(Mehtod Area)：
　　很多人習慣稱之爲靜態區，它存放的是類信息、常量、靜態變量、JIT編譯後的代碼數據等。方法區是線程共享的，需要GC。
本地方法棧(Native Mehtod Stack)：
　　類似棧，線程私有，不需要GC，區別是它服務於JNI。
程序計數器(Computer Counter Register)：
　　當前線程所執行的字節碼的行號指示器，線程私有，不需要GC。

由以上劃分可知，當我們編寫的一個類被加載後，類信息、靜態變量、常量等放在方法區；代碼中的A a=new A( )，A a部分放在棧中，new A( )部分放在堆中；int b這樣的變量也放在棧中。本地方法棧和程序計數器我們不做過多討論，重點關注棧、堆、和方法區。　

對象的創建過程

稍微瞭解一下對象的創建過程。它大致分爲４個步驟：

檢查類是否被加載，如果未加載則先加載

在堆上爲新生對象分配內存　

設置對象Header，如對象HashCode、GC分代年齡、類型指針等

執行《init》方法初始化　

Java內存回收機制

　　內存區域劃分好了，對象和變量創建好了，程序運行着，部分方法已經執行完了，那麼哪些內存需要回收？何時回收？如何回收？已知所有的對象實例和數組都要在堆上分配，那我們重點關注這塊最大的內存是如何回收的。

堆的回收

　　C++中，程序員在一個對象使用完畢時手動free/delete並賦值爲null來回收對象佔用的內存。Java使用衆所周知的垃圾回收器來回收對象，那麼它如何確定一個對象已經完成使命，可以被回收了呢？

引用計數算法

　　最簡單的方法是給每個對象維護一個引用計數器，每當有一個地方引用它時，對應的計數器加1；引用失效時，計數器減1；當計數器小於等於0時，對象就可以被回收了。
　　引用計數算法簡單高效，但它最大的問題是無法解決對象之間的循環引用問題。比如以下代碼：

A a =new A();
B b =new B();
a.x=b;
b.x=a;
a=null;
b=null;

　　如上圖右半部分，“A的實例”持有“B的實例”的引用，“B的實例”持有“A的實例”的引用。但是沒有其他任何地方引用這兩個實例。如果採用引用計數法，它們的引用計數器都不爲0，垃圾回收器一直都不會回收它們；但實際上系統中並不需要再次使用這兩個對象，這勢必造成內存泄露——佔着茅坑不拉屎。假如系統中有大量的這種循環引用的對象存在，並且每個這樣的對象佔用的內存都較大，那麼系統很快就會因爲內存溢出而崩潰。

可達性分析算法

　　Java虛擬機採用可達性分析算法來判定對象的存活與否。它應用圖論的思想，堆中的每個對象實例都是圖的一個頂點，一個對象對另一個對象的引用是一條有向邊。在圖的所有頂點中，以一系列稱爲“GC Roots”的頂點作爲起始點，沿着有向邊向下搜索，走過的路徑成爲引用鏈(Reference Chain)。當起始點集合到某個頂點不可達，即GC Roots到某個對象不存任何一條引用鏈時，則證明此對象是不可用的，可以回收。如下圖右半部分，可達性分析算法可以解決對象間循環引用的問題。

　　Java中可作爲GC Roots的對象包括以下幾種：

棧中引用的對象

方法區中靜態熟悉引用的對象

方法區中常量引用的對象

本地方法棧中JNI引用的對象

　　到這裏，我們已經可以簡單解釋內存泄露了。原本應該正常回收的對象，如上圖右半部分，如果因爲某種原因，變成上圖左半部分一樣，變成GC Roots可達了，那麼這些對象就不會被及時回收，造成資源浪費，是爲內存泄露。好比是小明用過的廁所，本來應該把門打開，其他人可以接着使用，但是小明不再繼續使用，卻把門鎖了，別人用不了。小明是GC Roots或者和GC Roots連通的對象，廁所是應該回收的對象所佔的內存資源。
　　實際的可達性分析算法比以上分析複雜地多，需要結合Java的強、軟、弱、虛四種引用來解釋。內存泄露的防治也離不開軟引用和弱引用的使用。這個話題將在其他博文中詳細闡述。

方法區的回收

　　方法區的回收極少被人提及，更不會像堆內存的回收一樣被大衆討論，但它確實是客觀存在。回看方法區存放的內容：類信息、常量、靜態變量、JIT編譯後的代碼數據等，後兩者的生命週期貫穿整個應用程序，因此方法區內存的回收內容主要是廢棄常量和無用的類。

廢棄常量

　　回收廢棄常量與回收堆中的對象非常類似，不展開論述。

無用的類

　　回收無用的類即類的卸載，對應於類的加載。滿足以下條件的類纔可算作無用的類：

該類所有實例都已被回收，即Java堆中不存在該類的任何實例。

加載該類的ClassLoader已經被回收。

該類對應的java.lang.Class對象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法。

垃圾回收算法

　　以上只談到需要回收的內存區域（堆和方法區）中如何判定一個對象可以回收，即內存中哪些是垃圾（Garbage），並未涉及如何進行垃圾回收（Garbage Collection，GC）。這部分內容非常類似《操作系統》或《計算機組成原理》中的存儲單元的分配、尋址、清除、替換等操作。不外乎是幾種常見的算法，由易到難，最終的實現因廠家而異。一般是難易搭配，集各種算法的有點於一身，但又有所折衷，以實現某幾大因素（如時間、空間）的平衡。

標記 - 清除法

先標記所有需要回收的對象，然後統一清除。
優點：算法簡單
缺點：
時間上：標記和清除的效率都不高
空間上：標記清除後會產生大量不連續的內存碎片

複製算法

將內存分爲大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊，用完後將還存活的對象複製到另外一塊，然後把使用過的那塊一次清理掉。
優點：每次回收整個半區，算法簡單；時間上快速高效，空間上不會產生碎片。
缺點：
- 空間上，內存容量減半，利用率低。
- 對象存活率高時複製次數增加，效率降低。

標記 - 整理法

標記 - 整理 - 清除：先標記所有需要回收的對象，將所有存活對象移到一端，然後清除端邊界以外的內存。
優缺點都類似標記 - 清除法，外加移動對象的開銷。

分代回收算法

根據對象存活週期講內存劃分新生代、老年代等幾塊，根據不同年代的特點採用適當的算法。
新生代對象存活率低，採用複製算法；老年代對象存活率高，採用標記 - 清理算法或者標記 - 整理算法。

垃圾回收器種類

　　計算機中常把完成某類功能的程序叫做某某器，英語中就是XXX-er。比如完成編譯功能的程序叫編譯器Compiler，完成調試功能的程序叫調試器Debugger，以及此處完成垃圾回收功能的Garbage Collector。

Serial

最基本、歷史最悠久
單線程收集器
使用一個CPU或一條線程進行垃圾回收
它進行垃圾回收時，必須暫停其他所有工作線程，Stop The World，直到本次回收結束。
Stop The World，保潔阿姨在幫你打掃辦公室時，你需要暫停一切工作離開房間，並且不繼續亂扔垃圾，直到打掃結束。

ParNew

Serial回收器的多線程版

Parallel Scavenge

新生代收集器，多線程
高吞吐量，高CPU利用率

Serial Old

Serial回收器的老年代版本，單線程。

Parallel Old

Parallel Scavenge的老年代版本，多線程。

CMS

回收停頓時間最短，併發

G1

較新較牛逼

總結

　　Java內存劃分爲棧、堆、方法區等區域，其中棧保存的是方法的局部變量，隨方法起隨方法滅，不需要GC；堆保存所有對象的實例和數組，是GC和泄露的重點區；方法區保存的是類信息、常量、靜態變量等靜態信息，也需要GC。
　　堆內存的回收中，判斷對象存活的算法有引用計數算法和可達性分析算法，引用計數算法無法解決對象間循環引用的問題，虛擬機通常採用可達性分析算法。
　　常見的垃圾回收算法有：標記 - 清除法、複製算法、標記 - 整理法、分代回收算法。常見的垃圾回收器種類有：Serial、ParNew、Parallel Scavenge等。
　　以下內容請聽下回分解：

Java強、軟、弱、虛四種引用詳解

內存泄露的定義、與內存溢出的區別和聯繫、內存泄露產生的原因

Java和Android常見的內存泄露的情景和解決方案

Android內存泄露檢測

防止內存泄露和內存優化的最佳實踐等等

Java 內存從分配到泄露

引言