JVM内存分配和回收

本文内容来自《Java编程思想（第四版）》第二章《一切都是对象》和第五章《初始化与清理》。作为一个使用了好几年的Javaer，再次看编程思想的前面章节（不要问我为什么用再，尽管我第一遍看的啥，一点都不记得了。）

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一个程序需要在计算机中运行，其本质是CPU操作内存中[1]的数据，进行某些运算的过程。所以这个问题是，计算机是如何操作这些数据的。

要解答这个问题，必须知道1.这些数据指的是什么？2.这些数据是如何存储在内存中的？

1. 这些数据指的是程序在算出期望结果过程中，所需要的一些信息，包括数据本身（可能是文本，图像等，但这些都是毫无例外的用二进制形式存储的），以及计算过程中产生的中间值，包括一些内存地址，空白的信息（占坑用）等，总之他们都是有结构的被存储在内存中的二进制。[2]
2. 这是个大问题，要分步来解答。

a)   数据可以存在哪里？

l  寄存器。存在这里的读取和写入速度都是最快的，因为寄存器是CPU的一部分，而CPU是干活的全部力量，所以CPU和寄存器的交互速度非常快，比内存快上百来倍（未考证）。至于为什么寄存器更快呢？因为寄存器用的是SRAM，而内存是DRAM，SRAM贵多了。至于为什么SRAM比DRAM快，这个我也不知道（喂，在这么下去，要跑题了）。

l  堆栈：堆栈是存在内存的。用的是栈的数据结构，它快的原因是栈的空间分配速度很快，只需要将指针上移下移就行了。（这种上下其手的事情慢了怎么行。）

l  堆：堆也是放在内存的，而且只比堆栈少一个字！不过它的速度慢多了，这是因为它是堆的数据结构，堆天生就比栈慢。但是堆栈太大了效率就吃不消，你去试试对乐山大佛·上上下下啊！而堆就不一样了，能存的东西就多多了。

l  其他：包括常量堆，流、持久化对象（这个是存在磁盘和网络上的）。

b)   然后呢？（如何操作存在内存的数据）

对内存中数据的操作，汇编是直接操作的，因此你可以在组成原理中看到，内存寻址是一块很重要的内容。C/C++是采用“指针”来间接操作的，它要负责内存的分配和回收，例如malloc就是要内存的节奏。

在Java中，一切都是对象。对象有可能很庞大也可能很小。Java将对象的引用存储在栈上，这样可以快速找到定位，将实际的对象存储在堆中。引用的本质是内存地址，它直接指向堆里相应的对象。所以你在Java中输出this的时候，其实输出的是Java对象的内存地址。

前面说了，堆的操作比较慢。但是实际上，Java的堆并不慢，根据编程之美的说法，Java堆的效率可以媲美某些语言（我也不知道某些是哪些）的栈。这主要得益于JVM良好的垃圾回收机制。

c)   JVM垃圾回收机制

程序在运行过程中，需要不断的申请新的内存空间，然后释放掉不用的对象。程序删除不用的内容后，原来这些内容占着的坑（内存空间）就会空出来。如此便会造成大量的内存碎片存在。内存碎片会降低内存使用率，并导致一些大内存对象的分配显得困难。整合这些内存碎片，是非常消耗资源的行为（但是又不得不整合）。JVM的内存回收机制（垃圾回收机制）干的就是这个活。

那么，JVM是如何进行垃圾回收的呢？

简言之，就是根据某些策略，找到那些不用的对象，并将它们释放掉。当然如果能顺便解决内存碎片就更好了，么么哒。

d)   如何找到失活对象？（根据什么策略呢）

有个理论上非常简单的方式就是，如果一个对象被引用了，那么给它的计数增加1，对象被释放掉了，就减去1，那么当一个对象的引用是0的时候，他就毫不留情的被垃圾回收机制回收了。这个方式叫做“引用计数”。但是这个方式有个致命的问题：当两个对象相互引用的时候，计数就永远不为0，即便这些对象是需要被释放掉的。

所以，JVM就不用这个方式啦。

JVM的做法是：遍历栈里的所有引用，有引用的对象便是活的对象，没引用的对象，就是被当做孤魂野鬼来处理。为了解决内存碎片的问题，JVM使用了一种叫做“停止-复制(stop-and-copy)”的做法，即暂停当前程序，然后将活的对象复制到另一片内存区域；如此，既解决了内存碎片（新复制的对象在内存上是连续的），有解决了垃圾回收（没有引用的对象就被抛弃了）。但是这样子，效率上并不太高，另外，还需要一大片内存来做备胎。另外，程序稳定运行后，内存碎片可能并不多。

这时候，JVM的另一个套机制，叫做标记-清扫(mark-and-sweep)的方式。这种方式也是从栈出发，遍历所有引用，为有引用的对象标记存活标记；标记之后，再开始清扫，即清理没被标记的对象。这时候得到的结果，其内存是不连续的。

JVM会监视内存使用状态，在程序稳定的时候，启动标记-清扫方式，当堆碎片过多的时候，启动停止-复制方式。JVM管这个过程叫做自适应的垃圾回收机制。

在上面所述的过程中，内存是以块为单位进行分配的。较大的对象会占据一整个块。每个块都有一个参数叫做代数(generation count)，标记其是否存活。对于大型对象，在停止-复制过程中，也不会被再复制一遍，只是代数增加。（这个是为了减少复制的内容，从而减少内存占用。）

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[1] 也可能是寄存器中

[2] 这个解答是我瞎编的，并非来自编程思想一书，请大家踊跃找错。

 

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