Java内存区域和GC机制篇

Java内存区域和GC机制
一、目录
1.Java垃圾回收概括
2.Java内存区域
3.Java对象的访问方式
4.Java内存访问机制
5.Java GC 机制
6.Java垃圾收集器

二、Java垃圾回收概括
1.Java GC 介绍：
　　a) Garbage Collection 垃圾收集、垃圾回收机制；
　　b) Java中不需要编写内存回收和垃圾清理代码，也不需要考虑内存泄漏和溢出的问题；
　　c) 因为在Java虚拟机中存在自动内存管理和垃圾清理机制；
　　d) 该机制会对JVM(Java 虚拟机)中的内存进行标记，并确定哪些内存需要回收，根据回收策略，自动的回收内存，永不停息的保证JVM中的内存空间，防止出现内存泄漏和溢出问题；
　　e) 说明：关于JVM(Java虚拟机)是指HotSpot虚拟机

2.Java GC 主要做以下三件事：
　　a) 确定哪些内存需要回收
　　b) 确定什么时刻执行垃圾回收机制
　　c) 如何执行垃圾回收机制

三、Java GC机制学习
1.学习方向有以下四个：
　　a) 内存是如何分配的；
　　b) 如何保证内存不被错误回收(即哪些内存需要被回收)；
　　c) 在什么情况下执行GC以及执行GC的方式；
　　d) 如何监控和优化GC机制

2.Java内存区域(Java运行时内存划分)
　　a) 程序计数器(program counter register)
　　　　1.程序计数器是一个较小的内存区域；
　　　　2.用于指示当前线程所有执行的字节码执行到了第几行；
　　　　3.每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以他是"线程私有"
　　　　4.注：
　　　　　　I ) 如果程序执行的是一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；
　　　　　　II) 如果正在执行的是一个本地方法，则计数器的值为undefined；
　　　　　　III) 由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出，所以，程序计数器是JVM内存区域中唯一一个没有定义outofmemoryerror的区域；

　　b) 虚拟机栈(JVM stack)
　　　　1.一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧；
　　　　2.栈帧中存储的有局部变量表、操作站、动态链接、方法出口等；
　　　　3.当方法被调用时，栈帧在JVM栈中入栈，当方法执行完之后，栈帧出栈；
　　　　4.虚拟机栈中定义了两种异常：
　　　　　　I ) 栈溢出：如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError；
　　　　　　II) 内存溢出：由于大多数Java虚拟机都能允许动态扩张虚拟机栈的大小，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足而抛出OutOfMemoryError；
　　　　5.每个线程对应着一个虚拟机栈，因此虚拟机栈也是线程私有的；

　　c) 本地方法栈
　　　　1.本地方法栈在"作用"、"运行机制"、"异常类型"等方面都与"虚拟主机栈"相同；
　　　　2.唯一的区别是：虚拟主机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是用来执行本地(native)方法的；

　　d) 堆区
　　　　1.在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块；
　　　　2.堆区也是Java GC机制所管理的主要内存区域；
　　　　3.堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建；
　　　　4.堆区的存在是为了存储"对象实例"；
　　　　5.所有的对象都在堆区上分配内存(也有在"栈"上分配内存的)
　　　　6.堆区的大小是可以动态扩展的；
　　　　7.如果在执行垃圾回收之后，仍没有足够的内存分配，也不能再扩展，将会抛出OutOfMemoryError:Java heap sapce异常；

　　e) 方法区
　　　　1.在Java虚拟机规范中，将"方法区"作为一个逻辑部分来对待，但"方法区"并不是"堆"；
　　　　2.方法区在物理上也不需要连续的，可以选择固定大小或可扩展大小；
　　　　3.可以选择是否执行垃圾收集；但方法区上执行垃圾收集很少，这就是为什么称方法区为"永久代"的原因；
　　　　4.方法区上面的"""垃圾收集"""主要是针对常亮"""常量池"""的内存回收和对已加载类的卸载；
　　　　5.在方法区上执行垃圾收集很困难，所以不考虑；
　　　　6.在方法区上定义了OutofMemoryError:PermGen space异常，在内存不足时抛出异常；
　　　　7.运行池常量：
　　　　　　I ) 用于存储编译期常量(编译时就产生的字面常量、符号引用)
　　　　　　II) 还可以存储"""运行时间内"""产生的常量，目的是为了维护一个常量池，如果调用的字符串"abc"已经在常量池中，则返回池中的字符串地址；否则新建一个常量加入常量池中，并返回地址；

　　f) 直接内存
　　　　1.直接内存并不是JVM管理的内存，它是JVM以外的机器内存；
　　　　2.比如物理内存是4G，JVM占用了1G，则剩下的3G就是直接内存；
　　　　3.由于直接内存受到本机器内存的限制，也有可能出现OutOfMemoryError的异常；

四、Java对象的访问方式
一个Java的引用访问涉及到3个内存区域：JVM栈、堆、方法区
　　1.通过句柄访问
　　2.通过直接指针访问
　　　　a) reference中存储的就是对象在堆中的实际地址，在堆中存储的对象信息中包含了在方法区中的相应类型数据。这种方法最大的优势是速度快，在HotSpot虚拟机中用的就是这种方式。

五、内存分配机制
　　1.这里所说的内存分配是指在"""堆"""上的分配，一般的，对象的内存分配都是在堆上进行；
　　2.Java内存分配和回收的机制概括的说就是：
　　　　a) 分代分配
　　　　b) 分代回收
　　3.对象根据存活的时间被分为：
　　　　a) 年轻时代
　　　　b) 年老时代
　　　　c) 永久时代(也就是方法区)

　　4.年轻时代：
　　　　a) 对象被创建时，内存的分配首先发生在年轻时代(大数据可以直接创建在年老代)；
　　　　b) 大部分的对象在创建后很快就不能再使用，于是被年轻的GC机制清理掉；
　　　　c) 年轻代上的内存分配：
　　　　　　1.Eden 内存首次分配区
　　　　　　2.survivor0/1 两个存活区
　　　　　　3.绝大多数刚创建的对象会被分配在Eden区，其中的大多数对象很快就会消亡。Eden区是连续的内存空间，因此在其上分配内存极快；
　　　　　　4.当Eden区满的时候，执行Minor GC，将消亡的对象清理掉，并将剩余的对象复制到一个存活区Survivor0（此时，Survivor1是空白的，两个Survivor总有一个是空白的）；
　　　　　　5.此后，每次Eden区满了，就执行一次Minor GC，并将剩余的对象都添加到Survivor0；
　　　　　　6.当Survivor0也满的时候，将其中仍然活着的对象直接复制到Survivor1，以后Eden区执行Minor GC后，就将剩余的对象添加Survivor1（此时，Survivor0是空白的）；
　　　　　　7.当两个存活区切换了几次（HotSpot虚拟机默认15次，用-XX:MaxTenuringThreshold控制，大于该值进入老年代）之后，仍然存活的对象（其实只有一小部分，比如，我们自己定义的对象），将被复制到老年代。

　　　　d) 从上面的过程可以看出，Eden区是连续的空间，且Survivor总有一个为空;
　　　　e) 经过一次GC和复制，一个Survivor中保存着当前还活 着的对象，而Eden区和另一个Survivor区的内容都不再需要了，可以直接清空，到下一次GC时，两个Survivor的角色再互换。
　　　　f) 因此，这种方式分配内存和清理内存的效率都极高，这种垃圾回收的方式就是著名的“停止-复制（Stop-and-copy）”清理法（将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到另一个Survivor中）
　　　　g) 使用了两种技术加快内存分配：
　　　　　　1.这两种技术分别是bump-the-pointer和TLAB；
　　　　　　2.对于bump-the-pointer：
　　　　　　由于Eden区是连续的，因此bump-the-pointer技术的核心就是跟踪最后创建的一个对象，在对 象创建时，只需要检查最后一个对象后面是否有足够的内存即可，从而大大加快内存分配速度；

　　3.对于TLAB：
　　　　TLAB技术是对于多线程而言的，将Eden区分为若干 段，每个线程使用独立的一段，避免相互影响。TLAB结合bump-the-pointer技术，将保证每个线程都使用Eden区的一段，并快速的分配内存；

　　4.年老代：
　　　　a) 对象如果在年轻代存活了足够长的时间而没有被清理掉，则会被复制到老年代；
　　　　b) 老年代的特点是空间更大，可以存放更多对象，发生GC的次数更少；
　　　　c) 当年老代内存不足时，执行Full GC；
　　　　d) 可以采用动态控制策略，动态调整Java堆中各个区域的大小以及进入年老代的年龄；
　　　　e) 如果对象比较大，且年轻代空间不足，则大对象会被直接分配到老年代上(但是大对象容易触发GC，应该少用)；

六、每个分代的收集方法(GC机制的基本算法是：分代收集)
1.年轻代
2.老年代
3.方法区(永久代)