Java 内存区域和GC机制
Java垃圾回收概况
Java GC（Garbage Collection，垃圾收集，垃圾回收）机制，是Java与C++/C的主要区别之一，作为Java开发者，一般不需要专门编写内存回收和垃圾清理代 码，对内存泄露和溢出的问题，也不需要像C程序员那样战战兢兢。这是因为在Java虚拟机中，存在自动内存管理和垃圾清扫机制。概括地说，该机制对 JVM（Java Virtual Machine）中的内存进行标记，并确定哪些内存需要回收，根据一定的回收策略，自动的回收内存，永不停息（Nerver Stop）的保证JVM中的内存空间，放置出现内存泄露和溢出问题。
关于JVM，需要说明一下的是，目前使用最多的Sun公司的JDK中，自从 1999年的JDK1.2开始直至现在仍在广泛使用的JDK6，其中默认的虚拟机都是HotSpot。2009年，Oracle收购Sun，加上之前收购 的EBA公司，Oracle拥有3大虚拟机中的两个：JRockit和HotSpot，Oracle也表明了想要整合两大虚拟机的意图，但是目前在新发布 的JDK7中，默认的虚拟机仍然是HotSpot，因此本文中默认介绍的虚拟机都是HotSpot，相关机制也主要是指HotSpot的GC机制。
Java GC机制主要完成3件事：确定哪些内存需要回收，确定什么时候需要执行GC，如何执行GC。经过这么长时间的发展（事实上，在Java语言出现之前，就有 GC机制的存在，如Lisp语言），Java GC机制已经日臻完善，几乎可以自动的为我们做绝大多数的事情。然而，如果我们从事较大型的应用软件开发，曾经出现过内存优化的需求，就必定要研究 Java GC机制。
学习Java GC机制，可以帮助我们在日常工作中排查各种内存溢出或泄露问题，解决性能瓶颈，达到更高的并发量，写出更高效的程序。
我们将从4个方面学习Java GC机制，1，内存是如何分配的；2，如何保证内存不被错误回收（即：哪些内存需要回收）；3，在什么情况下执行GC以及执行GC的方式；4，如何监控和优化GC机制。
Java内存区域
了解Java GC机制，必须先清楚在JVM中内存区域的划分。在Java运行时的数据区里，由JVM管理的内存区域分为下图几个模块：
其中：
1，程序计数器（Program Counter Register）：程序计数器是一个比较小的内存区域，用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。
每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以它是线程私有（一个线程就有一个程序计数器）的。
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；如果正在执行的是一个本地（native，由C语言编写 完成）方法，则计数器的值为Undefined，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的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区 域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。
2，虚拟机栈（JVM Stack）：一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧（Statck Frame），栈帧中存储的有局部变量表、操作站、动态链接、方法出口等，当方法被调用时，栈帧在JVM栈中入栈，当方法执行完成时，栈帧出栈。
局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。在局部变量表中，只有long和double类型会占 用2个局部变量空间（Slot，对于32位机器，一个Slot就是32个bit），其它都是1个Slot。需要注意的是，局部变量表是在编译时就已经确定 好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。
虚拟机栈中定义了两种异常，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（栈溢出）；不过多 数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，知道内存不足，此时，会抛出 OutOfMemoryError（内存溢出）。
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。
3，本地方法栈（Native Method Statck）：本地方法栈在作用，运行机制，异常类型等方面都与虚拟机栈相同，唯一的区别是：虚拟机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是用来执行native方法的，在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。
本地方法栈也是线程私有的。
4，堆区（Heap）：堆区是理解Java GC机制最重要的区域，没有之一。在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块，堆区也是Java GC机制所管理的主要内存区域，堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区的存在是为了存储对象实例，原则上讲，所有的对象都在堆区上分配内存（不过现代技术里，也不是这么绝对的，也有栈上直接分配的）。
一般的，根据Java虚拟机规范规定，堆内存需要在逻辑上是连续的（在物理上不需要），在实现时，可以是固定大小的，也可以是可扩展的，目前主 流的虚拟机都是可扩展的。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 space异常。
关于堆区的内容还有很多，将在下节“Java内存分配机制”中详细介绍。
5，方法区（Method Area）：在Java虚拟机规范中，将方法区作为堆的一个逻辑部分来对待，但事实 上，方法区并不是堆（Non-Heap）；另外，不少人的博客中，将Java GC的分代收集机制分为3个代：青年代，老年代，永久代，这些作者将方法区定义为“永久代”，这是因为，对于之前的HotSpot Java虚拟机的实现方式中，将分代收集的思想扩展到了方法区，并将方法区设计成了永久代。不过，除HotSpot之外的多数虚拟机，并不将方法区当做永 久代，HotSpot本身，也计划取消永久代。本文中，由于笔者主要使用Oracle JDK6.0，因此仍将使用永久代一词。
方法区是各个线程共享的区域，用于存储已经被虚拟机加载的类信息（即加载类时需要加载的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、静态变量、编译器即时编译的代码等。
方法区在物理上也不需要是连续的，可以选择固定大小或可扩展大小，并且方法区比堆还多了一个限制：可以选择是否执行垃圾收集。一般的，方法区上 执行的垃圾收集是很少的，这也是方法区被称为永久代的原因之一（HotSpot），但这也不代表着在方法区上完全没有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是针对 常量池的内存回收和对已加载类的卸载。
在方法区上进行垃圾收集，条件苛刻而且相当困难，效果也不令人满意，所以一般不做太多考虑，可以留作以后进一步深入研究时使用。
在方法区上定义了OutOfMemoryError:PermGen space异常，在内存不足时抛出。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存储编译期就生成的字面常量、符号引用、翻译出来的直接引用（符号引用就是编码是用字符串表示某个变量、接口的位置，直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址，将在类链接阶段完成翻译）；运行时常量池除了存储编译期常量外，也可以存储在运行时间产生的常量（比如String类的intern()方法，作用是String维护了一个常量池，如果调用的字符“abc”已经在常量池中，则返回池中的字符串地址，否则，新建一个常量加入池中，并返回地址）。
6，直接内存（Direct Memory）：直接内存并不是JVM管理的内存，可以这样理解，直接内存，就是 JVM以外的机器内存，比如，你有4G的内存，JVM占用了1G，则其余的3G就是直接内存，JDK中有一种基于通道（Channel）和缓冲区 （Buffer）的内存分配方式，将由C语言实现的native函数库分配在直接内存中，用存储在JVM堆中的DirectByteBuffer来引用。 由于直接内存收到本机器内存的限制，所以也可能出现OutOfMemoryError的异常。
Java对象的访问方式
一般来说，一个Java的引用访问涉及到3个内存区域：JVM栈，堆，方法区。
以最简单的本地变量引用：Object obj = new Object()为例：
- Object obj表示一个引用，存储在JVM栈中，表示一个reference类型数据；
- new Object()作为实例对象数据存储在堆中；
- 堆中还记录了Object类的类型信息（接口、方法、field、对象类型等）的地址，这些地址所执行的数据存储在方法区中；
在Java虚拟机规范中，对于通过reference类型引用访问具体对象的方式并未做规定，目前主流的实现方式主要有两种：
1，通过句柄访问（图来自于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》）：
通过句柄访问的实现方式中，JVM堆中会专门有一块区域用来作为句柄池，存储相关句柄所执行的实例数据地址（包括在堆中地址和在方法区中的地址）。这种实现方法由于用句柄表示地址，因此十分稳定。
2，通过直接指针访问：（图来自于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》）
通过直接指针访问的方式中，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。
Java内存分配机制
这里所说的内存分配，主要指的是在堆上的分配，一般的，对象的内存分配都是在堆上进行，但现代技术也支持将对象拆成标量类型（标量类型即原子类型，表示单个值，可以是基本类型或String等），然后在栈上分配，在栈上分配的很少见，我们这里不考虑。
Java内存分配和回收的机制概括的说，就是：分代分配，分代回收。对象将根据存活的时间被分为：年轻代（Young Generation）、年老代（Old Generation）、永久代（Permanent Generation，也就是方法区）。如下图（来源于《成为JavaGC专家part I》，http://www.importnew.com/1993.html）：
年轻代（Young Generation）：对象被创建时，内存的分配首先发生在年轻代（大对象可以直接 被创建在年老代），大部分的对象在创建后很快就不再使用，因此很快变得不可达，于是被年轻代的GC机制清理掉（IBM的研究表明，98%的对象都是很快消 亡的），这个GC机制被称为Minor GC或叫Young GC。注意，Minor GC并不代表年轻代内存不足，它事实上只表示在Eden区上的GC。
年轻代上的内存分配是这样的，年轻代可以分为3个区域：Eden区（伊甸园，亚当和夏娃偷吃禁果生娃娃的地方，用来表示内存首次分配的区域，再 贴切不过）和两个存活区（Survivor 0 、Survivor 1）。内存分配过程为（来源于《成为JavaGC专家part I》，http://www.importnew.com/1993.html）：
- 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；
- 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）；
- 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；
- 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）。
- 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。
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。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。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），这不代表着停止复制清理法很高效，其实，它也只在这种情况下高效，如果在老年代采用停止复制，则挺悲剧的。
在Eden区，HotSpot虚拟机使用了两种技术来加快内存分配。分别是bump-the-pointer和TLAB（Thread- Local Allocation Buffers），这两种技术的做法分别是：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；而对于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。
年老代（Old Generation）：对象如果在年轻代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次 Young GC后存活了下来），则会被复制到年老代，年老代的空间一般比年轻代大，能存放更多的对象，在年老代上发生的GC次数也比年轻代少。当年老代内存不足时， 将执行Major GC，也叫 Full GC。
如果对象比较大（比如长字符串或大数组），Young空间不足，则大对象会直接分配到老年代上（大对象可能触发提前GC，应少用，更应避免使用短命的大对象）。用-XX:PretenureSizeThreshold来控制直接升入老年代的对象大小，大于这个值的对象会直接分配在老年代上。
可能存在年老代对象引用新生代对象的情况，如果需要执行Young GC，则可能需要查询整个老年代以确定是否可以清理回收，这显然是低效的。解决的方法是，年老代中维护一个512 byte的块——”card table“，所有老年代对象引用新生代对象的记录都记录在这里。Young GC时，只要查这里即可，不用再去查全部老年代，因此性能大大提高。
Java GC机制
GC机制的基本算法是：分代收集，这个不用赘述。下面阐述每个分代的收集方法。
年轻代：
事实上，在上一节，已经介绍了新生代的主要垃圾回收方法，在新生代中，使用“停止-复制”算法进行清理，将新生代内存分为2部分，1部分 Eden区较大，1部分Survivor比较小，并被划分为两个等量的部分。每次进行清理时，将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到 另一个Survivor中，然后清理掉Eden和刚才的Survivor。
这里也可以发现，停止复制算法中，用来复制的两部分并不总是相等的（传统的停止复制算法两部分内存相等，但新生代中使用1个大的Eden区和2个小的Survivor区来避免这个问题）
由于绝大部分的对象都是短命的，甚至存活不到Survivor中，所以，Eden区与Survivor的比例较大，HotSpot默认是 8:1，即分别占新生代的80%，10%，10%。如果一次回收中，Survivor+Eden中存活下来的内存超过了10%，则需要将一部分对象分配到 老年代。用-XX:SurvivorRatio参数来配置Eden区域Survivor区的容量比值，默认是8，代表Eden：Survivor1：Survivor2=8:1:1.
老年代：
方法区（永久代）：
永久代的回收有两种：常量池中的常量，无用的类信息，常量的回收很简单，没有引用了就可以被回收。对于无用的类进行回收，必须保证3点：
- 类的所有实例都已经被回收
- 加载类的ClassLoader已经被回收
- 类对象的Class对象没有被引用（即没有通过反射引用该类的地方）
垃圾收集器
在GC机制中，起重要作用的是垃圾收集器，垃圾收集器是GC的具体实现，Java虚拟机规范中对于垃圾收集器没有任何规定，所以不同厂商实现的垃圾 收集器各不相同，HotSpot 1.6版使用的垃圾收集器如下图（图来源于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》，图中两个收集器之间有连线，说明它们可以配合使用）：
在介绍垃圾收集器之前，需要明确一点，就是在新生代采用的停止复制算法中，“停 止（Stop-the-world）”的意义是在回收内存时，需要暂停其他所 有线程的执行。这个是很低效的，现在的各种新生代收集器越来越优化这一点，但仍然只是将停止的时间变短，并未彻底取消停止。
- Serial收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，使用一个线程进行GC，其它工作线程暂停。使用-XX:+UseSerialGC可以使用Serial+Serial Old模式运行进行内存回收（这也是虚拟机在Client模式下运行的默认值）
- ParNew收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，Serial收集器的多线程版，用多个线程进行GC，其它工作线程暂停，关注缩短垃圾收集时间。使用-XX:+UseParNewGC开关来控制使用ParNew+Serial Old收集器组合收集内存；使用-XX:ParallelGCThreads来设置执行内存回收的线程数。
- Parallel Scavenge 收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，关注CPU吞吐量，即运行用户代码的时间/总时间，比如：JVM运行100分钟，其中运行用户代码99分钟，垃 圾收集1分钟，则吞吐量是99%，这种收集器能最高效率的利用CPU，适合运行后台运算（关注缩短垃圾收集时间的收集器，如CMS，等待时间很少，所以适 合用户交互，提高用户体验）。使用-XX:+UseParallelGC开关控制使用 Parallel Scavenge+Serial Old收集器组合回收垃圾（这也是在Server模式下的默认值）；使用-XX:GCTimeRatio来设置用户执行时间占总时间的比例，默认99，即 1%的时间用来进行垃圾回收。使用-XX:MaxGCPauseMillis设置GC的最大停顿时间（这个参数只对Parallel Scavenge有效）
- Serial Old收集器：老年代收集器，单线程收集器，使用标记整理（整理的方法是Sweep（清理）和Compact（压缩），清理是将废弃的对象干掉，只留幸存 的对象，压缩是将移动对象，将空间填满保证内存分为2块，一块全是对象，一块空闲）算法，使用单线程进行GC，其它工作线程暂停（注意，在老年代中进行标 记整理算法清理，也需要暂停其它线程），在JDK1.5之前，Serial Old收集器与ParallelScavenge搭配使用。
- Parallel Old收集器：老年代收集器，多线程，多线程机制与Parallel Scavenge差不错，使用标记整理（与Serial Old不同，这里的整理是Summary（汇总）和Compact（压缩），汇总的意思就是将幸存的对象复制到预先准备好的区域，而不是像Sweep（清 理）那样清理废弃的对象）算法，在Parallel Old执行时，仍然需要暂停其它线程。Parallel Old在多核计算中很有用。Parallel Old出现后（JDK 1.6），与Parallel Scavenge配合有很好的效果，充分体现Parallel Scavenge收集器吞吐量优先的效果。使用-XX:+UseParallelOldGC开关控制使用Parallel Scavenge +Parallel Old组合收集器进行收集。
- CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：老年代收集器，致力于获取最短回收停顿时间，使用标记清除算法，多线程，优点是并发收集（用户线程可以和GC线程同时工作），停顿小。使用-XX:+UseConcMarkSweepGC进行ParNew+CMS+Serial Old进行内存回收，优先使用ParNew+CMS（原因见后面），当用户线程内存不足时，采用备用方案Serial Old收集。
CMS收集的方法是：先3次标记，再1次清除，3次标记中前两次是初始标记和重新标记（此时仍然需要停止（stop the world））， 初始标记（Initial Remark）是标记GC Roots能关联到的对象（即有引用的对象），停顿时间很短；并发标记（Concurrent remark）是执行GC Roots查找引用的过程，不需要用户线程停顿；重新标记（Remark）是在初始标记和并发标记期间，有标记变动的那部分仍需要标记，所以加上这一部分 标记的过程，停顿时间比并发标记小得多，但比初始标记稍长。在完成标记之后，就开始并发清除，不需要用户线程停顿。所以在CMS清理过程中，只有初始标记和重新标记需要短暂停顿，并发标记和并发清除都不需要暂停用户线程，因此效率很高，很适合高交互的场合。CMS也有缺点，它需要消耗额外的CPU和内存资源，在CPU和内存资源紧张，CPU较少时，会加重系统负担（CMS默认启动线程数为(CPU数量+3)/4）。另外，在并发收集过程中，用户线程仍然在运行，仍然产生内存垃圾，所以可能产生“浮动垃圾”，本次无法清理，只能下一次Full GC才清理，因此在GC期间，需要预留足够的内存给用户线程使用。所以使用CMS的收集器并不是老年代满了才触发Full GC，而是在使用了一大半（默认68%，即2/3，使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction来设置）的时候就要进行Full GC，如果用户线程消耗内存不是特别大，可以适当调高-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction以降低GC次数，提高性能，如果预留的用户线程内存不够，则会触发Concurrent Mode Failure，此时，将触发备用方案：使用Serial Old 收集器进行收集，但这样停顿时间就长了，因此-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction不宜设的过大。还有，CMS采用的是标记清除算法，会导致内存碎片的产生，可以使用-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection来设置是否在Full GC之后进行碎片整理，用-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction来设置在执行多少次不压缩的Full GC之后，来一次带压缩的Full GC。
- G1收集器：在JDK1.7中正式发布，与现状的新生代、老年代概念有很大不同，目前使用较少，不做介绍。
