JVM内存结构与垃圾回收机制

本文主要讲JVM内存结构与垃圾回收机制，首先讲JVM内存的结构，这是为后边讲JVM垃圾回收机制打下基础。

JVM内存结构

在JVM运行的时候所分配内存区的结构，分为程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆和方法区五部分，见下图：

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，主要用来存储当前线程所执行的字节码的行号指示器。
它是线程私有的，随线程生随线程死。
如果线程正在执行的是一个java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是调用C++/C等其他语言的方法，这个计数器则为空。

虚拟机栈

每个线程会有一个私有的栈。每个线程中方法的调用又会在本栈中创建一个栈帧。在方法栈中会存放编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用。

本地方法栈

每个线程会有一个私有的本地方法栈。本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的。区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用的C++/C等其他语言的方法服务。

堆

Java堆是Java虚拟机所管理的内存中中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的地就是存放对象实例，所有的对象实例都在这里分配内存。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。

方法区

方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。在Java8中永生代彻底消失了。

例子

下图是一个很简单的函数调用，输出结果是20 10。咱们可以分析其在JVM内存结构

首先从func1函数说起，func1运行中首先拿到一个参数a，这个a是一个值传递，当前函数就会有为其新开一个内部存储，在栈中有了一个a变量，标记为a为10。然后执行到变量b初始化为10，这时栈中就会有一个b变量，标记为b为10。输出a+b以后，设置a等于11，就是把之前栈中a的值变更为11。执行完a等于11后整个函数就执行完啦，这个函数栈中所有变量就会被销毁，销毁的顺序按照栈先入后出的顺序先销毁b再销毁a。
然后说下main函数，main函数和func1类似，也有一个自己的函数栈，初始化a为10后调用func1方法，这时候输出a还是10。func1修改a=11对其并没有影响，因为这时候func1的调用已经完成，内部变量已经回收啦。

垃圾回收机制

随着程序的运行，内存中的实例对象、变量等占据的内存越来越多，如果不及时进行回收，会降低程序运行效率，甚至引发系统异常。
在上面介绍的五个内存区域中，有3个是不需要进行垃圾回收的：本地方法栈、程序计数器、虚拟机栈。因为他们的生命周期是和线程同步的，随着线程的销毁，他们占用的内存会自动释放。所以，只有方法区和堆区需要进行垃圾回收，回收的对象就是那些不存在任何引用的对象。下面我们讲的是针对堆的垃圾回收，因为方法区的垃圾回收较少。
说到垃圾回收，有两个问题非常关键：
1. 那些对象需要回收？
2. 找到需要回收的对象以后具体怎么清理？
下面咱们一个个解决这些问题。

那些对象需要回收？

关于对象是否存活的算法有引用计数算法和可达性分析算法，下面我们简单介绍下。

引用计数算法

引用计数算法是在JVM中被摒弃的一种对象存活判定算法，不过它也有一些知名的应用场景（如Python、FlashPlayer），因此在这里也简单介绍一下。

用引用计数器判断对象是否存活的过程是这样的：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器加1；当引用失效时，计数器减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

引用计数算法的实现简单，判定效率也很高，大部分情况下是一个不错的算法。它没有被JVM采用的原因是它很难解决对象之间循环引用的问题。

可达性分析算法

Java、C#等使用可达性分析算法来判断对象是否存活的。可达性分析算法的基本思想是通过一系列的称为“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，当一个对象到GC Roots没有任何饮用链相连时，则证明此对象是不可用的。如下图，对象object5、object6、object7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是可回收的对象。

在Java语言中，可作为GC Roots的对象包括下面几种：

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈中引用的对象

垃圾收集算法

使用可达性分析算法可以找到需要清理的对象，找到这些需要清理的对象以后我们应该怎么清理那？本节将介绍几种垃圾收集算法的思想及其发展过程，JAVA垃圾回收的具体实现将在稍后介绍。

标记-清除算法

标记－清除算法是最基础的垃圾收集算法，后续的收集算法都是基于它的思路并对其不足进行改进而得到的。顾名思义，算法分成“标记”、“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象.
不足有两点：

• 效率问题 标记和清除两个过程的效率都不高
• 空间问题 标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不触发另一次垃圾收集动作。
  标记－清除算法的执行过程如下图所示：
  

复制算法

为了解决标记-清除算法的效率问题，一种称为“复制”的收集算法出现了，思想为：它将可用内存按容量分成大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块内存用完，就将还存活着的对象复制到另一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。

这样做使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，实现简单，运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为原来的一半，代价可能过高了。复制算法的执行过程如下图所示：

标记-整理算法

复制算法在对象存活率较高时要进行较多的复制操作，效率将会变低。未来解决效率问题，标记-整理算法被提出来。主要思想为：此算法的标记过程与标记－清除算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。具体示意图如下所示：

实际GC过程

Java的实际GC采用了“分代收集”算法，一般把Java堆分为新生代（Young)和老年代(Old)。如下图：

新生代：是所有新对象产生的地方，使用复制算法进行清理。年轻代被分为3个部分——Enden区和两个Survivor区（From和to）。当Eden区被对象填满时，就会执行Young GC。并把所有存活下来的对象转移到其中一个survivor区。Young GC同样会检查存活下来的对象，并把它们转移到另一个survivor区。这样在一段时间内，总会有一个空的survivor区。经过多次GC周期后，仍然存活下来的对象会被转移到年老代内存空间。年轻代升级为年老代的阈值默认为15，这里的15是指在新生代经历过15次Young GC。需要注意，Survivor的两个区是对称的，没先后关系。
老年代：使用标记清理或者标记整理算法。 在年轻代中经历了N次回收后仍然没有被清除的对象，就会被放到年老代中，可以说他们都是久经沙场而不亡的一代，都是生命周期较长的对象。对于年老代和永久代，就不能再采用像年轻代中那样搬移腾挪的回收算法，因为那些对于这些回收战场上的老兵来说是小儿科。通常会在老年代内存被占满时将会触发Full GC,回收整个堆内存。

为什么分区

在新生代中，每次垃圾回收都发现有大批对象死去，只有少量存活，选择复制算法只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或者“标记-整理”算法来进行回收。

GC具体执行流程

来源Java Garbage Collection Basics

1. 首先新对象都会在新生代的Eden区，两个survivor都是空的。
   
2. 当Eden区满了以后，会触发Young GC进行垃圾回收。
   
3. 无需清理的对象被移动到第一个survivor空间。清除Eden区时，将删除需要清理的对象。
   
4. 在下一个Young GC中，Eden区也会发生同样的事情。删除未引用的对象，并将引用的对象移动到survivor空间。但是，在这种情况下，它们被移动到第二个survivor空间（S1）。此外，来自第一个survivor空间（S0）上的最后一个Young GC后存活对象的年龄增加1并且移动到S1。所有被引用对象被移动到S1，S0和eden都会被清除。这时候的survivor空间存活对象的年龄不同。
   
5. 在下一次 Young GC中，重复相同的过程。然而这次survivor空间切换。引用的对象被移动到S0。幸存的对象年龄加1。Eden和S1被清除。
   
6. 在多次Young GC之后，幸存的对象达到一定的年龄阈值（在该示例中为8）时，它们从新生代晋升到老年代。

7. 随着Young gc的不断发生，新生代的幸存对象会被逐步的移动到老年代。

8.这是整个新生代的整个过程。最终，将对老年代进行Full GC，清理和压缩该空间。