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JVM 内存管理你知道多少

2022-07-28 12:06:00 【daydreamed】

JVM 内存管理你知道多少

1、概述

“Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有的区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。”

Java 虚拟机运行时的数据区：
在这里插入图片描述

补充：

线程隔离的数据区：

虚拟机栈（VM Stack）
本地方法栈（Native Method Stack）
程序计数器（Program Counter Register）

线程共享的数据区：

方法区（Method Area）
堆（Heap）

2、Java 内存区域

程序计数器（Program Counter Register）
程序计数器是用于存放下一条（Java 虚拟机）字节码指令所在单元的地址的地方，该区域所在的内存属于 “线程私有”内存。
如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器的值为正在执行的（Java 虚拟机）字节码指令的地址；如果线程正在执行的是本地（Native）方法，则这个计数器的值为空。
虚拟机栈（VM Stack）
虚拟机栈是用于存放栈帧（Stack Frame）的地方，每当一个（Java）方法被执行时，Java 虚拟机就会创建一个栈帧，栈帧存储着局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息，一个（Java）方法从调用到执行完毕的过程对应着栈帧入栈到出栈的过程，该区域所在的内存属于 “线程私有” 内存。
本地方法栈（Native Method Stack）
本地方法栈的功能与虚拟机栈相似，唯一不同的是虚拟机栈服务于虚拟机执行 Java 方法，本地方法栈服务于虚拟机执行本地方法，该区域所在的内存属于 “线程私有” 内存。
堆（Heap）
堆是用于存放（Java）对象实例的地方，该区域所在的内存属于 “线程共享” 内存。
堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此也被称为 “GC堆”。
堆的大小可以通过（Java 虚拟机）参数 -Xmx 和 -Xms 进行设定。
方法区（Method Area）
方法区是用于存放被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据的地方，该区域所在内存属于 “线程共享” 内存。

扩展：

运行时常量池（Runtime Constant Pool）
运行时常量池是方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用。
直接内存（Direct Memory）
直接内存并不属于 Java 内存区域，但这部分内存也被频繁地使用到，例如：通过 Native 函数库直接分配堆外内存，减少数据传输损耗，提高性能。
直接内存只受本机内存限制。

3、Java 对象

3.1、对象的创建

在 Java 语言中，创建一个对象仅仅需要一个关键字 new ，但在 Java 虚拟机中，创建一个对象则需要经过以下几个步骤。

1、当 Java 虚拟机遇到一条字节码 new 指令时，首先会去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过，如果没有就先执行该类的类加载过程。

2、在类加载检查通过后，虚拟机通过 “指针碰撞”（或 “空闲列表”）分配方式在堆中为该对象分配内存空间。

3、内存空间分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值。

4、接下来，虚拟机还将对对象进行必要的设置，如：该对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码（延后至 Object:hashCode() 的调用才进行计算）、对象的 GC 分代年龄等，这些信息均存放于对象的对象头中。

5、至此，从虚拟机的角度来看，一个新的对象已经诞生，但从 Java 程序的角度来看，对象的创建才刚刚开始（构造函数还没有执行），接下来即是执行构造函数（在虚拟机中体现为 <init>() 方法）完成对对象的初始化，正式完成对对象的构造。

3.2、对象的内存布局

对象在堆中的内存布局可以划分为三个部分：

对象头（Header）
- 对象自身的运行数据：哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等
- 类型指针：指向对象的类型元数据（即是哪个类的实例）
实例数据（Instance Data）
- 字段内容
对其补充（Padding）
- 占位符

3.3、对象的访问定位

Java 程序在使用对象时，会通过栈上的 reference 数据来操作堆中的具体对象，而 reference（引用）访问定位堆中的对象可分两种方式：

句柄访问
堆中划分出一块内存作为句柄池（句柄包含对象实例数据地址与类型数据地址），reference 中存储的就是对象的句柄地址。
优势：reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针。

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直接指针访问
reference 中直接存储对象地址。
优势：相较于句柄方式节省了一次指针定位的时间开销，提高了访问速度。

3.4、对象的引用

强引用（Strongly Reference）
指在程序代码中的引用赋值（ Object obj = new Object() ），只要强引用关系还存在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。
软引用（Soft Reference）
指一些还有用、但非必须的对象，在系统将要发生内存溢出异常前，垃圾收集器会将这些对象进行回收。
JDK1.2 后，提供 SoftReference 类实现软引用。
弱引用（Weak Reference）
指一些非必须的对象，当垃圾收集器开始工作时，无论当前内存是否充足，都会将这些对象进行回收。
JDK1.2 后，提供 WeakReference 类实现弱引用。
虚引用（Phantom Reference，又称 “幽灵引用” 或 “幻影引用”）
一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例，它存在的唯一目的只是：为了能在这个对象被垃圾收集器回收时收到一个系统通知。
JDK1.2 后，提供 PhantomReference 类实现虚引用。

3.5、对象的存亡

当一个对象 “死亡” 时，GC（Garbage Collection，垃圾收集）会将该对象清除并回收分配给该对象的内存空间。那么，GC 怎么判断一个对象是否 “死亡” 了呢？

GC 判断一个对象是否 “死亡” 通常有以下两种算法：

引用计数算法
在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值加一；每当有一个地方的引用失效时，计数器值减一；任何时刻计数器值为零的对象就是 “已死亡” 的对象（即该对象不可能再被使用）。
- 优点：原理简单，判断效率高
- 缺点：占用额外的内存空间、无法解决对象间的循环引用问题
可达性分析算法
以 “GC Roots”（根对象）作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径被称为 “引用链（Reference Chain）”，如果某个对象到 “GC Roots” 间没有任何引用链相连（或者用图论的话来说就是从 “GC Roots” 到这个对象不可达）时，该对象 “已死亡”（即该对象不可能再被使用）。
- 优点：解决了对象间的循环引用问题
- 缺点：相较于引用计数算法判断效率没那么高
扩展：Java 中的 “GC Roots”
- 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，如：当前正在运行的方法所使用到的参数、局部变量、临时变量等
- 方法区中类静态属性引用的对象，如：Java类的引用类型静态变量
- 方法区中常量引用的对象，如：字符串常量池里的引用
- 本地方法栈中 JNI（Native 方法）引用的对象
- Java 虚拟机内部的引用，如：基本数据类型对象的 Class 对象、一些常驻的异常对象（NullPointException、OutOfMemoryError）、系统类加载器
- 所有被同步锁（synchronized 关键字）持有的对象
- 反映 Java 虚拟机内部情况的 JMXBean、JVMTI 中注册的回调、本地代码缓存等
- 不同垃圾收集器和不同回收的内存区域中的 “临时性” 对象

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补充：

对象的 “缓刑”：

当一个对象在可达性分析算法中判定为不可达对象时，该对象会进入 “缓刑” 阶段：检测该对象是否有必要执行 finalize() 方法。

如果对象没有覆盖 finalize() 方法（或 finalize() 方法已经被虚拟机调用过），则虚拟机认为该对象没必要执行 finalize() 方法，真正宣布其 “死亡”；

否则，虚拟机认为该对象有必要执行 finalize() 方法，并将该对象放入 F-Queue 队列中，然后由虚拟机自动建立的、低调度优先级的 Finalizer 线程去执行它的 finalize() 方法（这里的 “执行” 是指虚拟机会触发这个方法开始运行，但并不承诺一定会等待它运行结束）。

对象的 “重生”：

当对象在 finalize() 方法中重新与引用链上的任何一个对象建立关联，如：把自己（this 关键字）赋值给某个类变量或者对象的成员变量，即该对象获得 “重生”（移出 “即将回收” 的集合）。

相反，如果该对象在 finalize() 方法中没能重新与引用链上的任何一个对象建立关联，该对象也将面临 “死亡”。

4、垃圾收集算法

4.1、分代收集理论

分代收集名为理论，实质是一套符合大多数程序运行实际情况的经验法则，它建立在两个分代假说和一条经验法则之上。

弱分代假说（Weak Generational Hypothesis）：绝大多数对象都是朝生夕灭的
强分代假说（Strong Generational Hypothesis）：熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡
跨代引用假说（Intergenerational Reference Hypothesis）：跨代引用相对于同代引用来说仅占极少数

基于分代收集理论，垃圾收集器一致的设计原则为：收集器应该将 Java 堆划分出不同的区域，然后将回收对象依据其年龄（即对象熬过垃圾收集过程的次数）分配到不同的区域之中存储。

补充：

Java 堆的分代

新生代（Young Generation）
老年代（Old Generation）

分代收集

部分收集（Partial GC）：
- 新生代收集（Minor GC / Young GC）：只对新生代进行垃圾收集
- 老年代收集（Major GC / Old GC）：只对老年代进行垃圾收集
- 混合收集（Mixed GC）：既对整个新生代进行垃圾收集，也对部分老年代进行垃圾收集
整堆收集（Full GC）：对整个 Java 堆和方法区进行垃圾收集