Java虚拟机（一）-- 内存管理

一概述

对于从事C和C++程序开发的开发人员来说，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—既拥有每一个对象的“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，在虚拟机的自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写配对应的delete/free代码，而且不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，看起来由虚拟机管理内存一切都很美好。不过，也正是因为Java程序员把内存控制的权力交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，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。

Java的内存管理分为分配和回收两部分。

二内存分配

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。这些区域都有各自的用途，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存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（第2版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如下图所示：

上图是较细的划分，可以再将它们划分为栈和堆两个部分。

1.栈与堆

栈区：（线程私有）

程序计数器（也叫pc寄存器）：程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。（这只是对普通java方法而言，它存的是正在执行的Java字节码指令的地址，对于native方法它的值为undefined）
虚拟机栈：java虚拟机运行的java方法(java字节码方法)构成的栈空间，这个空间在运行时存储这些方法的局部变量表、操作栈、动态链接和方法出口。程序员常说的栈其实主要就是指虚拟机栈，Java中的8种基本类型和对象的引用均存放在该区域中。
本地方法栈：本地方法在运行时存储数据产生的栈区。本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。
栈帧：其实栈中主要的存储实体是栈帧（栈存储栈帧，栈帧存储数据）。用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也用来处理动态链接，方法返回值和异常分派。Java虚拟机为每一个方法调用都分配一个栈帧，它随方法调用而创建，随方法结束而销毁–无论它是正常结束还是异常结束（线程与栈同时创建，线程执行的过程就是调用一个个方法的过程，这个过程会有栈帧被创建也有栈帧被销毁）。栈帧中主要存放的是局部变量表，操作数栈和指向当前方法所属类的运行时常量池的引用。在某个时间点上，只有目前正在执行的那个方法的栈帧是活动（可以同时存在多个栈帧，但只有一个是活动的，其余的会被封存），被称为当前栈帧，它所对应的方法被称为当前方法，方法所属的类被称为当前类。
局部变量表：每个栈帧内部都包含一个该局部变量表，它的长度由编译器决定，用来存储Java中基本数据类型和引用类型（其中boolean，byte，char，short，int，float，reference占一个变量位，long，double占两个变量位）。它的内部通过索引来定位访问，所以更快。Java中方法调用是的参数传递便是通过局部变量表来完成，它的参数将会依次传递到变量表中从0开始的连续位置上（当是实例方法是，第0个变量位置存放的是对象的应用，即this指针）。
操作数栈：顾名思义即是当前栈帧中被操作数临时存放的区域，它的深度由编译器决定，当栈帧刚创建时，操作数栈是空的，java虚拟机通过一些字节码指令从局部变量表中或者对象实例的字段中复制常量或者变量值到操作数栈中，也提供指令从操作数栈中取走数据，操作数据以及把操作结果重新入栈。在调用方法使操作数栈也用来准备调用方法的参数和接受返回结果。
动态链接：每个栈帧内部都存在一个当前方法所在类型的运行时常量池的引用，以便对当前方法的代码实现动态链接（这是一种晚期绑定）。在class文件中，一个方法要调用其他方法，或者访问成员变量，需要通过符号引用，而动态链接的作用就是将这些符号引用所表示的方法转换为对实际方法的直接引用（这个在类加载时完成）。并且将对变量的额访问转化为变量在程序运行时位于存储结构中正确位置。

栈区可以自己管理自己，一般不会出现问题；造成内存泄露的主要是堆区。

堆区：（线程共享）

堆：这个就是我们重点要关心的区域，主要存放Java中new出来的对象（包括数组），也是GC主要运行的重点。
方法区：堆的一部分（但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来），它与传统方法中的编译代码存储区非常相似，它存储着一个类的结构信息，如运行时常量池，字段和方法信息，构造函数和普通方法的字节码内容，还包括一些在类，实例，接口初始化时用到的特殊方法。在有些虚拟机中它也被叫做“永久代”（如HotSpot），很少发生垃圾回收行为，这个区域的回收主要针对常量池的回收和对类型的卸载。
运行时常量池：方法区的一部分，是class文件中每一个类和接口的常量池表的运行时表示形式（即每一个类都有对应的运行时常量池），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。不过，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

2.Java中的对象访问是如何进行的

介绍完Java虚拟机的运行时数据区之后，我们就可以来探讨一个问题：在Java语言中，对象访问是如何进行的？对象访问在Java语言中无处不在，是最普通的程序行为，但即使是最简单的访问，也会却涉及Java栈、Java堆、方法区这三个最重要内存区域之间的关联关系，如下面的这句代码：

1	Object obj = new Object();

假设这句代码出现在方法体中，那“Object obj”这部分的语义将会反映到Java栈的本地变量表中，作为一个reference类型数据出现。而“new Object()”这部分的语义将会反映到Java堆中，形成一块存储了Object类型所有实例数据值（Instance Data，对象中各个实例字段的数据）的结构化内存，根据具体类型以及虚拟机实现的对象内存布局（Object Memory Layout）的不同，这块内存的长度是不固定的。另外，在Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据（如对象类型、父类、实现的接口、方法等）的地址信息，这些类型数据则存储在方法区中。

由于reference类型在Java虚拟机规范里面只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过哪种方式去定位，以及访问到Java堆中的对象的具体位置，因此不同虚拟机实现的对象访问方式会有所不同，主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。

使用句柄

如果使用句柄访问方式，Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息，如下图所示：

使用直接指针

如果使用的是直接指针访问方式，Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中直接存储的就是对象地址，如下图所示：

这两种对象的访问方式各有优势，使用句柄访问方式的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。常见的Sun HotSpot虚拟机就是使用的第二种方式。

三垃圾回收

说起垃圾收集（Garbage Collection，GC），大部分人都把这项技术当做Java语言的伴生产物。事实上，GC的历史远远比Java久远，1960年诞生于MIT的Lisp是第一门真正使用内存动态分配和垃圾收集技术的语言。

堆中几乎存放着Java世界中所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，第一件事情就是要确定这些对象有哪些还“存活”着，哪些已经“死去”（即不可能再被任何途径使用的对象）。下面将详细介绍Java虚拟机是如何判断一个对象是否存活的。

1.程序计数法

很多教科书判断对象是否存活的算法是这样的：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器都为0的对象就是不可能再被使用的。

客观地说，引用计数算法（Reference Counting）的实现简单，判定效率也很高，在大部分情况下它都是一个不错的算法，也有一些比较著名的应用案例，例如微软的COM（Component Object Model）技术、使用ActionScript 3的FlashPlayer、Python语言以及在游戏脚本领域中被广泛应用的Squirrel中都使用了引用计数算法进行内存管理。但是，Java语言中没有选用引用计数算法来管理内存，其中最主要的原因是它很难解决对象之间的相互循环引用的问题（也就是所谓的隔离岛问题）。如下面示例：

public class ReferenceCountingGC {
    public static void main(String[] args) {
        testGC();
    }
    public Object instance = null;
    private static final int _1MB=1024*1024;
    /**
     * 这个成员属性的唯一意义就是占点内存，以便能在GC日志中看清楚是否被回收过
     */
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];
    public static void testGC(){
        ReferenceCountingGC objA=new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objB=new ReferenceCountingGC();
        objA.instance=objB;
        objB.instance=objA;
        objA=null;
        objB=null;
        // 假设在这行发生GC，那么objA和objB是否能被回收？
        System.gc();
    }
}

程序计数法无法回收这一类的对象，但事实上Java可以回收他们，因此Java对象判活使用的不是程序计数法而是根搜索法。

2. 根搜索法

在主流的商用程序语言中（Java和C#，甚至包括前面提到的古老的Lisp），都是使用根搜索算法（GC Roots Tracing）判定对象是否存活的。这个算法的基本思路就是通过一系列的名为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说就是从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。如图3-1所示，对象object 5、object 6、object7虽然互相有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将会被判定为是可回收的对象。

在Java语言里，可作为GC Roots的对象包括下面几种：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）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。
本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）的引用的对象。

在根搜索算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：如果对象在进行根搜索后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。

如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法，那么这个对象将会被放置在一个名为F-Queue的队列之中，并在稍后由一条由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法，但并不承诺会等待它运行结束。这样做的原因是，如果一个对象在finalize()方法中执行缓慢，或者发生了死循环（更极端的情况），将很可能会导致F-Queue队列中的其他对象永久处于等待状态，甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象要在finalize()中成功拯救自己—只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，譬如把自己（this关键字）赋值给某个类变量或对象的成员变量，那在第二次标记时它将被移除出“即将回收”的集合；如果对象这时候还没有逃脱，那它就真的离死不远了。

另外一个值得注意的地方任何一个对象的finalize()方法都只会被系统自动调用一次，如果对象面临下一次回收，它的finalize()方法不会被再次执行。需要特别说明的是，上面关于对象死亡时finalize()方法的描述可能带有悲情的艺术色彩，笔者并不鼓励大家使用这种方法来拯救对象。相反，笔者建议大家尽量避免使用它，因为它不是C/C++中的析构函数，而是Java刚诞生时为了使C/C++程序员更容易接受它所做出的一个妥协。它的运行代价高昂，不确定性大，无法保证各个对象的调用顺序。有些教材中提到它适合做“关闭外部资源”之类的工作，这完全是对这种方法的用途的一种自我安慰。finalize()能做的所有工作，使用try-finally或其他方式都可以做得更好、更及时，大家完全可以忘掉Java语言中还有这个方法的存在。

3. Java中的引用

JDK1.2开始Java将引用分成了四种：强引用（Strong Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（WeakReference）、虚引用（Phantom Reference），这四种引用强度依次逐渐减弱。

强引用：强引用就是指在程序代码之中普遍存在的，类似“Object obj = new Object()”这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。
软引用：软引用用来描述一些还有用，但并非必需的对象。只有在内存不足时，才会回收该对象。在JDK 1.2之后，提供了SoftReference类来实现软引用。
弱引用：弱引用比软引用更弱一些，只要GC线程扫到它，不管内存是否不足，都会回收它。在JDK 1.2之后，提供了WeakReference类来实现弱引用。
虚引用：虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系。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。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是希望能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。在JDK 1.2之后，提供了PhantomReference类来实现虚引用。

4. 回收方法区

很多人认为方法区（或者HotSpot虚拟机中的永久代）是没有垃圾收集的，Java虚拟机规范中确实说过可以不要求虚拟机在方法区实现垃圾收集，而且在方法区进行垃圾收集的“性价比”一般比较低：在堆中，尤其是在新生代中，常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收70%~95%的空间，而永久代的垃圾收集效率远低于此。

永久代的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。以常量池中字面量的回收为例，假如一个字符串“abc”已经进入了常量池中，但是当前系统没有任何一个String对象是叫做“abc”的，换句话说是没有任何String对象引用常量池中的“abc”常量，也没有其他地方引用了这个字面量，如果在这时候发生内存回收，而且必要的话，这个“abc”常量就会被系统“请”出常量池。常量池中的其他类（接口）、方法、字段的符号引用也与此类似。判定一个常量是否是“废弃常量”比较简单，而要判定一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面3个条件才能算是“无用的类”：

该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例。
加载该类的ClassLoader已经被回收。
该类对应的java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述3个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“可以”，而不是和对象一样，不使用了就必然会回收。是否对类进行回收，HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用-verbose:class及-XX:+TraceClassLoading、 -XX:+TraceClassUnLoading查看类的加载和卸载信息。

在大量使用反射、动态代理、CGLib等bytecode框架的场景，以及动态生成JSP和OSGi这类频繁自定义ClassLoader的场景都需要虚拟机具备类卸载的功能，以保证永久代不会溢出。

5.垃圾收集算法

1. 标记-清除算法

最基础的收集算法是“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一样，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象，它的标记过程其实在前一节讲述对象标记判定时已经基本介绍过了。之所以说它是最基础的收集算法，是因为后续的收集算法都是基于这种思路并对其缺点进行改进而得到的。它的主要缺点有两个：一个是效率问题，标记和清除过程的效率都不高；另外一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致，当程序在以后的运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

2.复制算法

为了解决效率问题，一种称为“复制”（Copying）的收集算法出现了，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对其中的一块进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为原来的一半，未免太高了一点。

现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代，IBM的专门研究表明，新生代中的对象98%是朝生夕死的，所以并不需要按照1∶1的比例来划分内存空间，而是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中的一块Survivor。当回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地拷贝到另外一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor的空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8∶1，也就是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%（80%+10%），只有10%的内存是会被“浪费”的。当然，98%的对象可回收只是一般场景下的数据，我们没有办法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活，当Survivor空间不够用时，需要依赖其他内存（这里指老年代）进行分配担保（Handle Promotion）。

3.标记-整理算法

复制收集算法在对象存活率较高时就要执行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。

根据老年代的特点，有人提出了另外一种“标记-整理”（Mark-Compact）算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存，这样就不会造成内存碎片。

4.分代收集算法

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法，这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象的存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。因此现在的垃圾回收器都是同时采用多种算法，以达到更高性能。

一 概述

二 内存分配