Java内存管理及GC算法

概述

内存划分

虚拟机规范中将内存分为六大部分，分别为PC寄存器、JAVA虚拟机栈、JAVA堆、方法区、运行时常量及本地方法栈。

1.PC寄存器：线程独占；
2.JAVA虚拟机栈：线程独有；JAVA虚拟机栈是在创建线程的同时创建的，用于存储栈帧，JAVA虚拟机栈也是线程独有的。
3.JAVA堆：全局共享；
4.方法区：全局共享；它主要存储的是

• 运行时常量池
• 字段信息
• 方法信息
• 构造方法
• 普通函数的字节码内容以及一些特殊方法。
  5.本地方法栈：线程独有，本地方法栈是一个传统的栈，它用来支持native方法的执行。如果JAVA虚拟机是使用的其它语言实现指令集解释器的时候，也会用到本地方法栈。

内存管理

1.一部分是全局共享：

• JAVA堆
• 方法区
  2.一部分是线程独有
• PC寄存器
• JAVA虚拟机栈
• 本地方法栈

GC简介及算法

GC策略解决了哪些问题？

内存作为一种有限的资源，然而随着时间的推移内存的垃圾会越来越多。但java并没有提供类似于C/C++这一类内存释放和管理的机制，而是通过内置的GC进行内存的管理。GC的主要工作是：

1.哪些对象可以被回收？
2.何时回收？
3.采用什么样的方式回收？

GC策略采用的何种算法

有一种比较简单直观的办法，它的效率较高，被称作引用计数算法。但是这个算法有一个致命的缺陷，那就是对于循环引用的对象无法进行回收。

根搜索算法(解决哪些对象可以被回收的问题)

由于引用计数算法的缺陷，所以JVM一般会采用一种新的算法，叫做根搜索算法。它的处理方式就是，设立若干种根对象，当任何一个根对象到某一个对象均不可达时，则认为这个对象是可以被回收的。

GC roots（GC根），在JAVA语言中，可以当做GC roots的对象有以下几种：

• 虚拟机栈中的引用的对象。
• 方法区中的类静态属性引用的对象。
• 方法区中的常量引用的对象。(final)
• 本地方法栈中JNI的引用的对象。
  第一和第四种都是指的方法的本地变量表，第二种表达的意思比较清晰，第三种主要指的是声明为final的常量值。

垃圾收集算法

垃圾搜集的算法主要有三种，分别是标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法。这三种算法都扩充了根搜索算法。

标记-清除算法

当堆中的有效内存空间（available memory）被耗尽的时候，就会停止整个程序（也被成为stop the world），然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除。

• 标记：标记的过程其实就是，遍历所有的GC Roots，然后将所有GC Roots可达的对象标记为存活的对象。
• 清除：清除的过程将遍历堆中所有的对象，将没有标记的对象全部清除掉。

通俗地说也就是当可用内存即将耗尽时，逐步完成以下工作：

• 1.GC线程就会被触发并将程序暂停；
• 2.将依旧存活的对象标记起来；
• 3.将堆中未标记的对象全部清除；
• 4.程序恢复运行。

缺陷：

• 1、首先，它的缺点就是效率比较低（递归与全堆对象遍历），而且在进行GC的时候，需要停止应用程序，这会导致用户体验非常差劲
• 2、第二点主要的缺点，则是这种方式清理出来的空闲内存是不连续的

复制算法

复制算法由“标记-清除算法”基础上演化而来。

复制算法将内存划分为两个区间，在任意一个时间点，所有动态分配的对象只能分配在其中一个区间（活动区间），而另一个区间（空闲区间）则是空闲的。

当可用内存即将耗尽时，会逐步完成以下工作：

• 1.GC线程就会被触发并将程序暂停；
• 2.将依旧存活的对象标记起来；
• 3.将存活对象全部复制到空闲区间，且严格按照内存地址依次排序；
• 4.将存活对象引用指向新地址；
• 5.将活动区间转换成空闲区间，并一次性全部回收所有垃圾对象；
• 6.程序恢复运行。

复制算法弥补了标记-清除算法中内存布局混乱的缺点，但其缺点也很明显：

• 浪费了一半的内存，也就是说有一半的内存空间是闲置的；
• 如果对象的存活率很高，我们可以极端一点，假设是100%存活，那么我们需要将所有对象都复制一遍，并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间，在对象存活率达到一定程度时，将会变的不可忽视。

复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行，而且最重要的是，我们必须要克服50%内存的浪费。

标记-整理算法

标记-整理算法和标记-清除算法类似，可以分成两个阶段：标记和整理

• 1.标记：它的第一个阶段与标记/清除算法是一模一样的，均是遍历GC Roots，然后将存活的对象标记。
• 2.整理：移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。因此，第二阶段才称为整理阶段。

优点：标记/整理算法不仅可以弥补标记/清除算法当中，内存区域分散的缺点，也消除了复制算法当中，内存减半的高额代价
缺点：标记/整理算法唯一的缺点就是效率也不高

复制算法、标记/整理算法、标记/清除算法共同点：

• 1、三个算法都基于根搜索算法去判断一个对象是否应该被回收，而支撑根搜索算法可以正常工作的理论依据，就是语法中变量作用域的相关内容。因此，要想防止内存泄露，最根本的办法就是掌握好变量作用域，而不应该使用前面内存管理杂谈一章中所提到的C/C++式内存管理方式。
• 2、在GC线程开启时，或者说GC过程开始时，它们都要暂停应用程序（stop the world）。

区别：

• 效率：复制算法>标记/整理算法>标记/清除算法（此处的效率只是简单的对比时间复杂度，实际情况不一定如此）。
• 内存整齐度：复制算法=标记/整理算法>标记/清除算法。
• 内存利用率：标记/整理算法=标记/清除算法>复制算法。

分代搜集算法

没有最好的算法，只有最合适的算法，不同算法适合不同的场景。

• 新生代或者年轻代【普通GC（minor GC）】：适合使用复制算法
• 年老代【全局GC（major GC or Full GC）】：采用标记/整理或者标记/清除算法