JVM自动内存管理学习笔记

对于使用 C、C++ 的程序员来说，在内存管理领域，他们既是拥有最高权力的皇帝又是从事最基础工作的劳动人民——拥有每一个对象的“所有权”，又担负着每一个对象生命开始到终结的维护责任。对于 Java 程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个 new 操作去写配对的 delete/free 代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出，看起一切都很美好。不过，也正因为 Java 程序员把控制内存的权力交给了 Java 虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

 

一、Java虚拟机和Java内存区域概述

        1、虚拟机：

             定义：模拟某种计算机体系结构，执行特定指令集的软件。

             分为系统虚拟机（Virtual Box、VMware），进程虚拟机

        2、进程虚拟机

              并不会完整的模拟一个操作系统的运行环境，仅仅是提供特定指令集的运行环境。如JVM、Adobe Flash Player、FC模拟器

        3、高级语言虚拟机

              把特定指令集的范围限定为高级语言，如JVM、.NET CLR、P-Code(pascal)

        4、Java语言虚拟机

               可以执行Java语言的高级语言虚拟机，Java语言的虚拟机并不一定就可以成为JVM，譬如：Apache Harmony

        5、Java^TM虚拟机

               必须通过Java TCK(Technology Compatibility kit)的兼容性测试的Java语言虚拟机才能称为“Java^TM虚拟机”

               Java^TM虚拟机并非一定要执行“Java”程序，他跟Java语言并没有严格相关，他跟java的编译文件class文件产生关联，即其他语言编译的符合格式的class文件也可以运行

               业界三大商用JVM：

                  Oracle HotSpot：JDK中使用的虚拟机，命名来自它的“热点代码探测”技术、

                  Oracle JRockit VM：、 

                  IBM J9 VM：

         6、共有设计，私有实现

                  《Java虚拟机规范》定义了概念模型，但同时也声明了这些概念不约束虚拟机的具体实现

         7、Java虚拟机运行时数据区

                   程序计数器、Java堆、Java虚拟机栈、本地方法栈、方法区

                   

           8、程序计数器（Program Counter Register）

                 一块较小的内存空间，它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器

                 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Native方法，这个计数器值则为空。

                 此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域

 

二、Java虚拟机栈和本地方法栈

         1、Java虚拟机栈的概念和特征

               线程私有，后进先出栈，存储栈帧，支撑Java方法的调用、 执行和退出

               可能出现StackOverflowError异常，如果栈被设计成可动态扩展，而在扩展的时候又申请不到足够的内存，还可能出现OutOfMemoryError异常

         2、本地方法栈的概念和特征

                线程私有，后进先出栈，作用是支撑Native方法的调用、执行和退出

                可能出现StackOverflowError和OutOfMemoryError异常

                有一些虚拟机如HotSpot将Java虚拟机栈和本地方法栈合并实现

         3、栈帧的概念和特征

                Java虚拟机栈中存储的内容，它被用于存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接、方法返回值和异常分派

                一个完整的栈帧包含：局部变量表、操作数栈、动态连接信息、方法正常完成和异常完成信息

                局部变量表：由若干个Slot组成，长度由编译期决定

                           单个Slot可以存储一个类型为Boolean，byte，char,short,float,reference和returnAddress的数据，两个Slot可以存储一个类型为long或double的数据

                           局部变量表用于方法间参数传递，以及方法执行过程中存储基础数据类型的值和对象的引用

                操作数栈：由若干个Entry组成，长度由编译期决定

 

三、Java堆

          1、Java堆的概念

                特征：全局共享，通常是Java虚拟机中最大的一块内存区域，作用是作为java对象的主要存储区域。JVMS明确要求该区域需要实现自动内存管理，即常说的GC，但并不限制采用哪种算法和技术去实现，可以在物理上不连续，可动态扩展，可能出现OutOfMemoryError

          2、栈与堆的讨论

                 

四、方法区和运行时常量池

          1、方法区的概念

                 全局共享，作用是存储Java类的结构信息，JVMS不要求该区域实现自动内存管理，但是商用虚拟机都能够自动管理该区域的内存

          2、运行时常量池的概念

                  全局共享，是方法区的一部分，作用是存储Java类文件常量池中的符号信息

          3、HotSpot方法区实现的变迁

                   在jdk1.2-jdk6，HotSpot使用永久代实现方法区

                   jdk7开始，HotSpot开始移除永久代的计划，符号表被移到Native Heap中，字符串常量和类的静态引用被移到Java Heap中

                   jdk8开始，永久代已被元空间（Metaspace）所代替

 

五、直接内存

        并非JVMS定义的标准Java运行时内存区域

        随JDK1.4中加入的NIO被引入，目的是避免在Java堆和Native堆中来回复制数据带来的性能损耗

        全局共享，能被自动管理，但是在检测手段上可能会有一些简陋

        可能出现OutOfMemoryError异常

 

六、垃圾回收机制（GC Garbage Collection）

       1、什么是垃圾回收机制

            ① 显示内存管理(C/C++)：内存管理是程序开发者的职责

                  常见问题：

                   野指针：使用了一个指针，但是该指针指向的内存空间已经被free

                   内存泄露：内存空间已经申请，使用完毕后为主动释放，会一直占用内存

            ② 自动内存管理(Java/C#/一些脚本语言)：内存空间由垃圾回收期自动管理

                    优点：增加了程序的可靠性，减小了内存泄露和野指针的情况，提高了程序员的效率

                    缺点：程序员无法控制GC的时间

                          判断哪些内存需要回收需要耗费系统开销

                          逻辑上的内存泄露依然会存在

 

       2、GC的工作原理

             找出不再使用的对象，进行回收，所有不再使用的对象都是垃圾

       3、GC算法：

            Ⅰ.引用计数法：

               给堆中的每一个对象增加一个引用计数器，当每一次创建一个对象并赋值给一个变量时，引用计数器就加1；当对象不再使用时（出了作用域），引用计数器减1，当引用计数器为0，对象就满足了垃圾回收的条件。

                特点：实现简单

                缺点：循环引用的垃圾无法回收

            Ⅱ.根搜索算法（Root Tracing）：

                在主流的商用程序处理语言中，都是使用根搜索算法来判断随想是否存活的。

                该算法的基本思路就是通过一系列的名为GC Root的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走的路径称为引用链(Reference chain)。当一个对象到GC Root之间没有任何引用链相连（用图论的话来说就是GC Roots到这些对象不可达）时，证明该对象是不可用的，GC程序即可回收这些对象

                专业术语：

                 Shallow size：就是最像本身占用的内存大小，也就是对象头加成员变量占用内存大小的总和

                 Retained size:是该对象自己的shallow size加上仅可以从该对象访问（直接或间接访问）的对象的shallow size之和。Retained size是该对象被GC之后所能回收的内存的总和

            Ⅲ.标记清除算法(Mark Sweep Algorithm):

               Dalvik使用标记清除算法实现垃圾回收

               1、mark：标记出被引用的对象

               2、sweep：清除哪些没有任何引用的对象

               所有引用默认标记为0，每清除掉一个Root时，系统将从其他Roots能到达的引用都标记为1，垃圾回收将标记为0的对象回收掉，然后所有的标记置位0，重新开始新一轮垃圾回收

       4、GC触发的时机

             申请Heap space失败后会触发GC，但此时已晚

             系统进入idle后一段时间会进行回收

             主动调用System.gc();进行回收

来自为知笔记(Wiz)