Java虚拟机--内存管理机制概览

Java虚拟机内存分布

• 虚拟机栈：Java方法的内存模型，即每个方法的执行都会创建一个虚拟机栈帧，方法的执行过程就是栈帧的入栈出栈，每个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和一些额外的附加信息（运行期会有JIT优化，但我们理论上认为这部分所需内存编译期可知）；线程独立；StackOverflowError和OutOfMemoryError
  
  • 局部变量表：存储编译期可知的基本数据类型、对象引用reference、返回值类型returnAddress(它指向了一条字节码指令的地址)；局部变量表的空间在java编译成class文件时就已经确定其最大容量，运行期间不会改变；局部变量表是可以复用的，当指令执行超过某变量的作用范围则该指令占有的slot可以被重用
  • 操作数栈：方法开始时为空，执行过程中将各种操作入栈出栈（即执行）。编译成class时确定栈大小，java虚拟机是基于操作数栈的，执行速度相对慢，但可移植性强；Android虚拟机是基于寄存器的，执行速度快，移植性差
  • 方法返回地址：正常时，调用者的PC计数器的值作为返回地址；异常退出则由异常处理器决定
• 本地方法栈：native方法的内存模型，与虚拟机栈雷同。
• Java堆：存放对象实例和数组；线程共享；OutOfMemoryError
• 方法区：存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等，线程共享；这个内存区可不实现垃圾回收，若实现主要回收废弃的常量（如方法区中有“abc”常量,当前系统无String对象引用“abc”即可回收）和无用类（满足下列条件：1.堆中不存在实例2.加载该类的ClassLoader被回收3.类对应的Class对象没有引用，无法通过反射加载）；OutOfMemoryError
  
  • 运行时常量池：方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用；
• 程序计数器：当前线程(线程独立)所执行的字节码的行号指示器。即正在执行的虚拟机字节码指令的地址。此外执行Java代码时指向字节码地址，执行Native方法则为空,不会OOM
• 直接内存：非虚拟机规范内容，受本机总内存的大小及处理器寻址空间限制；OutOfMemoryError

对象创建过程

Person person = new Person();

我们看下一个对象的大致创建过程：

1. 在方法区常量池中查看是否有Person类的符号引用，若无，加载、解析、初始化Person类
2. 在Java堆中分配所需内存（加载Person类后其所需内存大小便以可知）
   2.1内存分配方法：1.内存规整，移动指针至空间足够的区域进行内存分配2.内存不规整，这时候会有一个空闲内存表来记录内存使用情况，在表中寻找足够大的内存空间进行分配。何种分配方法取决于使用何种垃圾回收机制（即看所选择的垃圾回收机制是否具有压缩整理功能）
   2.2保证原子性：对象分配是非常频繁的，Java堆又是线程共享的，多线程情况下会有线程安全问题。解决方法有两种：1.同步处理2.堆中分配一块本地线程分配缓冲，每个线程在自己的缓冲区分配后再移动到堆内存中，移动过程也需要同步处理
3. 初始化内存空间（内存置0，类变量如果没有赋值则会有一个默认初始值就是因为这一步）
4. 初始化头信息（类原数据指针 + 哈希码 + GC分代年龄 + 锁状态 …）
5. 对象初始化

对象的内存分布（Java堆）

上面说到对象的创建，创建完成后对象在Java堆中的内存分布如下：
1. 对象头
1.1： 存储对象自身运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态…
1.2： 类型指针，不一定有（因为还有其他方法可以确认），指向方法区中的类信息，用以确认该对象是哪个类的实例
2.实例数据：自身定义的数据和父类继承下来的数据，默认会以类型为顺序一一分配。
3.对齐填充：不是必然存在（刚好填充满了就不需要了），无特殊含义，起占位符作用

对象的访问定位（两种方式）

Java栈-本地变量表 存 Java堆-句柄池（对象实例数据指针+对象类型数据指针），句柄池指针指向堆实例地址和方法区类信息地址（稳定，堆实例经常移动只需改变句柄池地址 变量表无需更改）

Java栈-本地变量表 存 Java堆-实例地址，Java堆-实例地址 存 方法区类信息地址（减少一次指针定位的时间和内存）

垃圾回收机制

虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器中的数据随线程的生命而创建回收，随方法的入栈出栈而创建回收，无需垃圾回收机制。垃圾回收机制的重点在Java堆和方法区

对象是否已经无用判断？

1.引用计数法：每个对象有一个引用计数器来记录当前引用数，为0则可回收。缺陷：很难解决对象之间互相循环引用的问题
2.可达性分析法：GC Roots枚举根节点（一个集合）没有引用链相连的对象就是不可用对象。GC Roots的集合对象包括：①虚拟机栈(栈帧中本地变量表)中引用的对象②方法区中类静态属性引用的对象③方法区中常量引用的对象④本地方法栈中JNI引用的对象

对象的回收

GC Roots不可达则标记对象；判断是否执行finalize()方法(对象没有覆盖finalize方法或finalize已经被虚拟机调用过则不执行)，若需要执行，则执行后再次判断对象是否GC Roots可达，还是不可达则回收（可在finalize中与GC Roots对象关联）

GC Roots枚举根节点集合的维护

代码执行过程中有符合条件的对象都需要加入到GC Roots集合中，且获取时需要暂停整个系统，否则分析结果无法得到保障。通常，代码执行到安全点才会停下来维护GC Roots枚举（主动式中断：GC设置一个标志，各线程执行时执行到安全点会去轮询，主动挂起，维护GC Roots枚举）

垃圾回收算法

• 标记清除算法：产生大量碎片
• 标记整理算法：耗时，有连续空间
• 复制算法：浪费内存空间
• 分代收集算法：年轻代（空间较小，垃圾收集频繁而快速）、老年代（空间较大，垃圾收集较少，一般采用标记整理法，较为耗时）

JDK1.7中垃圾回收器

• Serial （串行）收集器
  
• ParNew
  与Serial类似，只不过新生代GC线程是多线程而已
• Parallel
  与Serial类似，只不过新生代GC线程和老年代GC线程都是多线程而已
  
• CMS （优点：并发收集、低停顿 缺点：对CPU资源非常敏感，无法处理浮动垃圾，产生大量碎片）
  ①初始标记(CMS initial mark) 标记GC Roots能直接关联到的对象；阻塞，耗时短
  ②并发标记(CMS concurrenr mark) 标记回收对象；并发
  ③重新标记(CMS remark) 标记因用户运行产生的可回收对象；阻塞
  ④并发清除(CMS concurrent sweep） 清理；并发
  
• G1
  ①初始标记（Initial Marking）
  ②并发标记（Concurrent Marking）
  ③最终标记（Final Marking）
  ④筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）
  

杂

Java虚拟机相关配置

• -Xmx –Xms：指定最大堆和最小堆
• -Xmn 设置新生代大小
• -XX:NewRatio 新生代（eden+2*s）和老年代（不包含永久区）的比值。例如：4，表示新生代:老年代=1:4，即新生代占整个堆的1/5
• -XX:SurvivorRatio 设置两个Survivor区和eden的比值。例如：8，表示两个Survivor:eden=2:8，即一个Survivor占年轻代的1/10
• -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError OOM时导出堆到文件，根据这个文件，我们可以看到系统dump时发生了什么
• -XX:+HeapDumpPath 导出OOM的路径
• -XX:OnOutOfMemoryError 在OOM时，执行一个脚本。 可以在OOM时，发送邮件，甚至是重启程序
• -XX:PermSize -XX:MaxPermSize 设置方法区的初始空间和最大空间
• -Xss 设置栈空间的大小

成员变量存在于堆内存中，局部变量存在于栈内存中，静态变量存在于方法区中

Dalvik JVM 和 Art的区别

• Dalvik是基于寄存器的，而JVM是基于栈的。Dalvik运行dex文件，而JVM运行java字节码
• Dalvik：应用每次运行的时候，字节码都需要通过即时编译器（just in time ，JIT）转换为机器码，拖慢应用。Art：应用在第一次安装的时候，字节码就会预先编译成机器码，启动和运行会加快，安装变慢