JVM内存模型及GC机制

一、JVM简介

1.1什么是JVM

　　JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。 JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码）,就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因。

1.2JVM原理
　　（1）jvm是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器，可在上面执行字节码程序。
　　（2）java编译器只要面向jvm，生成jvm能理解的字节码文件。java源文件经编译成字节码程序，通过jvm将每条指令翻译成不同的机器码，通过特定平台运行。

1.3 JVM执行程序的过程
　　(1) 加载.class文件

　　(2) 管理并分配内存

　　(3) 执行垃圾收集

　　如上图所示，首先Java源代码文件(.java后缀)会被Java编译器编译为字节码文件(.class后缀)，然后由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件，加载完毕之后，交由JVM执行引擎执行。在整个程序执行过程中，JVM会用一段空间来存储程序执行期间需要用到的数据和相关信息，这段空间一般被称作为Runtime Data Area（运行时数据区），也就是我们常说的JVM内存。因此，在Java中我们常常说到的内存管理就是针对这段空间进行管理（如何分配和回收内存空间）。

二、JVM内存模型

JVM = 类加载器(classloader) + 执行引擎(execution engine) + 运行时数据区域(runtime data area)

如图所示jvm内存划分为五部分

　　方法区（Method Area）

　　堆区（Heap）

　　虚拟机栈（VM Stack）

　　本地方法栈（Native Method Stack）

　　程序计数器（Program Counter Register）

2.1方法区（Method Area）

方法区存放了要加载的类的信息（如类名、修饰符等）、静态变量、构造函数、final定义的常量、类中的字段和方法等信息。方法区是全局共享的，在一定条件下也会被GC。当方法区超过它允许的大小时，就会抛出OutOfMemory：PermGen Space异常。

在Hotspot虚拟机中，这块区域对应持久代（Permanent Generation），一般来说，方法区上执行GC的情况很少，因此方法区被称为持久代的原因之一，但这并不代表方法区上完全没有GC，其上的GC主要针对常量池的回收和已加载类的卸载。在方法区上进行GC，条件相当苛刻而且困难。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存储编译器生成的常量和引用。一般来说，常量的分配在编译时就能确定，但也不全是，也可以存储在运行时期产生的常量。比如String类的intern（）方法，作用是String类维护了一个常量池，如果调用的字符”hello”已经在常量池中，则直接返回常量池中的地址，否则新建一个常量加入池中，并返回地址。

2.2 堆区（Heap）
堆区是GC最频繁的，也是理解GC机制最重要的区域。堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区主要用于存放对象实例及数组，所有new出来的对象都存储在该区域。

2.3 虚拟机栈（VM Stack）
虚拟机栈占用的是操作系统内存，每个线程对应一个虚拟机栈，它是线程私有的，生命周期和线程一样，每个方法被执行时产生一个栈帧（Statck Frame），栈帧用于存储局部变量表、动态链接、操作数和方法出口等信息，当方法被调用时，栈帧入栈，当方法调用结束时，栈帧出栈。

局部变量表中存储着方法相关的局部变量，包括各种基本数据类型及对象的引用地址等，因此他有个特点：内存空间可以在编译期间就确定，运行时不再改变。

虚拟机栈定义了两种异常类型：StackOverFlowError(栈溢出)和OutOfMemoryError（内存溢出）。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StackOverFlowError；不过大多数虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足时，抛出OutOfMemoryError。

2.4 本地方法栈（Native Method Stack）
本地方法栈用于支持native方法的执行，存储了每个native方法的执行状态。本地方法栈和虚拟机栈他们的运行机制一致，唯一的区别是，虚拟机栈执行Java方法，本地方法栈执行native方法。在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将虚拟机栈和本地方法栈一起使用。

2.5 程序计数器（Program Counter Register）
程序计数器是一个很小的内存区域，不在RAM上，而是直接划分在CPU上，程序猿无法操作它，它的作用是：JVM在解释字节码（.class）文件时，存储当前线程执行的字节码行号，只是一种概念模型，各种JVM所采用的方式不一样。字节码解释器工作时，就是通过改变程序计数器的值来取下一条要执行的指令，分支、循环、跳转等基础功能都是依赖此技术区完成的。

每个程序计数器只能记录一个线程的行号，因此它是线程私有的。

如果程序当前正在执行的是一个java方法，则程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址，如果执行的是native方法，则计数器的值为空，此内存区是唯一不会抛出OutOfMemoryError的区域。

三、GC机制

随着程序的运行，内存中的实例对象、变量等占据的内存越来越多，如果不及时进行回收，会降低程序运行效率，甚至引发系统异常。

在上面介绍的五个内存区域中，有3个是不需要进行垃圾回收的：本地方法栈、程序计数器、虚拟机栈。因为他们的生命周期是和线程同步的，随着线程的销毁，他们占用的内存会自动释放。所以，只有方法区和堆区需要进行垃圾回收，回收的对象就是那些不存在任何引用的对象。

3.1 查找算法
经典的引用计数算法，每个对象添加到引用计数器，每被引用一次，计数器+1，失去引用，计数器-1，当计数器在一段时间内为0时，即认为该对象可以被回收了。但是这个算法有个明显的缺陷：当两个对象相互引用，但是二者都已经没有作用时，理应把它们都回收，但是由于它们相互引用，不符合垃圾回收的条件，所以就导致无法处理掉这一块内存区域。因此，Sun的JVM并没有采用这种算法，而是采用一个叫——根搜索算法，如图：

　基本思想是：从一个叫GC Roots的根节点出发，向下搜索，如果一个对象不能达到GC Roots的时候，说明该对象不再被引用，可以被回收。如上图中的Object5、Object6、Object7，虽然它们三个依然相互引用，但是它们其实已经没有作用了，这样就解决了引用计数算法的缺陷。

补充概念，在JDK1.2之后引入了四个概念：强引用、软引用、弱引用、虚引用。
强引用：new出来的对象都是强引用，GC无论如何都不会回收，即使抛出OOM异常。
软引用：只有当JVM内存不足时才会被回收。
弱引用：只要GC,就会立马回收，不管内存是否充足。
虚引用：可以忽略不计，JVM完全不会在乎虚引用，你可以理解为它是来凑数的，凑够”四大天王”。它唯一的作用就是做一些跟踪记录，辅助finalize函数的使用。

　最后总结，什么样的类需要被回收：

　　a.该类的所有实例都已被回收。

　　b.加载该类的ClassLoad已经被回收。

　　c.该类对应的反射类java.lang.Class对象没有被任何地方引用。

3.2GC机制

　　内存主要被分为三块：年轻代（Youn Generation）、年老代（Old Generation）、永久代（Permanent Generation）。三代的特点不同，造就了他们使用的GC算法不同。

　　年轻代（Young Generation）适合存放生命周期较短，快速创建和销毁的对象。分为Eden、from survivor（survivor 0）、to survivor（survivor 1）三个区，默认比例为8:1:1。新创建的对象都是从年轻代分配内存，年轻代今进行垃圾回收的时候会触发Minor GC（也称Young GC）。

　　当Eden区内存不足时会触发Minor GC，会先把Eden区中存活的对象复制到to survivor中。然后再看from survivor中，如果有复制次数达到年老代标准的就复制到年老代中，复制次数没达到年老代标准的则复制到to survivor中。然后调换to survivor和from survivor的名字，保证每次to survivor都是空的等待对象复制到那里的。

　　年老代（Old Generation）用于存放年轻代多次回收依旧存活的对象，如缓存对象。当年老代满了就会触发Major GC（也称Full GC）。

　　永久代是Hotspot虚拟机特有的概念，是方法区的一种实现，大多数JVM没有这一代。在Java 8中，永久代被彻底移除，取而代之的是另一块与堆不相连的本地内存——元空间。永久代包含了JVM需要的应用元数据，这些元数据描述了在应用里使用的类和方法。注意，永久代不是Java堆内存的一部分。永久代存放JVM运行时使用的类。永久代同样包含了Java SE库的类和方法。永久代的对象在full GC时进行垃圾收集。

3.3GC算法

　　常见的GC算法：复制、标记-清除和标记-压缩

3.3.1复制算法：复制算法采用的方式为从根集合进行扫描，将存活的对象移动到一块空闲的区域，如图所示：