JVM之内存管理

　　都说搞C的牛叉，那是因为C解决问题，全靠程序员自己，他们对自己的程序在内存中是什么样了如指掌。而Java呢不需要有太多操作系统的知识，不用时刻注意内存的问题，但这不代表我们就不用去了解它背后的原理，（其实我是被公司的C嘲讽了一下OoO）。Java之所以容易上手，那是因为最困难的问题，已经被前人解决了，而这一切都归功于Java Virtual Machine-Java虚拟机，JVM其实就是一个抽象的计算机，它有自己的指令集，有自己的机器语言，有自己的内存管理。本系列会一一解开它的真面目。

　　本文基于Java HotSpot™ 虚拟机，JDK 1.8，将讨论：

JVM 内部结构

JVM 内存管理

JVM 内存模型

图 1 JVM 内部结构

1. JVM 内部结构

　　一个程序执行的过程是这样的，以C语言为例，源代码首先被编译成可执行文件，以二进制的形式存放到磁盘上，当执行时，首先从磁盘加载到内存中，然后处理器就开始执行目标程序中机器指令。反观Java，首先编译成字节码文件，与平台无关，JVM通过ClassLoader加载到内存中，然后执行其中的机器指令，JVM帮我们跟操作系统打交道。有了字节码和JVM，Java实现了平台无关性。JVM也可以认为是一个进程，在启动时申请一块内存，然后按照功能的不同，把内存分为以下不同区域：

（1） Heap

　　堆，一个非常重要的区域，被所有线程共享，基本所有的对象实例都在这里分配，大部分的垃圾回收也发生在这里。这部分内存，由JVM使用Garbage Collector（自动内存管理工具）来管理，职责就是为对象分配内存，释放空闲内存。Java 堆的大小可以使用参数来控制是固定的，还是动态扩展的。

（2） JVM Stacks

　　栈，与线程息息相关，线程私有，随线程生而生，死而死，是线程执行工作的内存。HotSpot中Java栈和本地方法栈合二为一，都在本地内存空间中分配，这部分内存就不需要JVM刻意的去管理了。JVM栈主要用来存储栈帧，当调用一个方法时创建一个栈帧，方法结束销毁，从栈的角度来看，就是入栈和出栈两个操作。

　　栈帧是一个数据结构，用来存储局部变量，操作数栈，和当前类运行时常量池的引用。局部变量数组：用来保存方法内定义的基本类型变量，下标从 0 开始，JVM使用局部变量表传递方法参数，当调用一个实例方法，第 0 位置存储的是当前对象的 this 引用；操作数栈：用来执行运算和准备调用方法的参数以及方法的返回结果；动态链接：引用对象的运行时常量池。

（3） PC Register

　　程序计数器，线程私有，主要作用就是存储指令地址，取指，解码和执行。每个线程都关联着唯一的栈和PC寄存器。

（4） Metaspace

　　元空间，在JDK8之前的HotSpot VM称之为方法区或者永久代，被各线程共享，它存储了一个类的结构信息，如常量池、字段、方法等。存放在本地内存中，与堆不相关。

（5） Native Method Stacks

　　JVM栈是为Java方法准备的，那么本地方法栈则是为虚拟机调用本地方法服务的。

2. JVM 内存管理

　　Java不允许直接操作内存，内存的申请和释放统一交给虚拟机处理。

2.1 Garbage Collection 自动内存管理

　　自动内存管理（以下简称GC）的职责：

分配内存

确保引用对象保留在内存

回收不可达引用对象的内存

　　GC 解决了大部分的内存分配问题，它本身也占用一定的资源。当堆满了或者是它的某个组成部分达到一个阀值就会触发垃圾回收。垃圾回收主要从这几方面考虑：回收的频率和时间，比如堆小那么回收的次数就多，堆大回收次数少，但回收一次的时间长；内存碎片问题；多线程程序下的垃圾回收。

垃圾回收策略：

（1）串行与并行（Serial versus Parallel）

　　串行，同一时间只能有一个垃圾回收线程工作；并行，在多CPU系统中，可有多个垃圾回收线程同时工作。

（2）并发与Stop-the-world（Concurrent versus Stop-the-world）

　　Stop-the-world 垃圾回收器，在回收期间，应用程序完全暂停工作，此时堆就相当于被冻结了，对象的状态不可变；并发，一个或多个垃圾收集任务与应用程序同时执行，可能会出现短暂的Stop-the-world，在收集时，对象的状态可能会改变。

（3）复制（Copying）

　　将内存分为两半，回收时将存活的对象复制到另一半空间，然后清除当前内存，后续内存的分配比较容易，但内存的利用率比较低。

（4） 标记清除与标记整理（Compacting versus Non-compacting）

　　标记清除，标记可回收的对象，统一进行回收，不进行内存压缩，会产生大量的内存碎片，在分配大对象时，可能无法找到连续的内存；标记整理，在标记完后，首先对内存进行压缩整理，把所有存活的对象放到一起进行回收。

（5）分代收集

　　把堆分成几个区域，新生代和老年代，不同的区域使用上面的不同的回收方法。

2.2 HotSpot 中的分代收集

　　在 HotSpot 中，把内存分为新生代和老年代，新生代又分为Eden和两个大小一样的Survivor空间，大部分对象在Eden分配，一些大对象可能直接分配到老年代。

堆的结构如下：

图 2 堆