Java 虛擬機–內存模型

一、JVM 內存模型

本節來分析 Java 對象如何進行分配和回收。

JVM 運行時數據區主要由線程私有區域和線程共享區域組成。

1. 線程私有區域：

• 虛擬機棧
• 本地方法棧
• 程序計數器

2.線程共享區域：

• 堆
• 方法區

下面繪製一個草圖來描述 JVM 運行數據區的組成：

1.1、線程私有區域

線程私有區域組成爲：

• 程序計數器
• 虛擬機棧
• 本地方法棧

1.1.1、程序計數器

什麼是程序計數器呢？

因爲 Java 本身就是一個多線程的，每一個線程都有一個程序計數器， CPU 在切換線程時，會使用程序計數器記錄下當前線程正在執行的字節碼指令的地址(行號)，這樣線程再次回來工作時，就知道執行到哪個位置了。

爲了更加深入的理解程序計數器，下面來看這樣一段代碼：

通過 javap -c -l MMDemo.class 得到對應字節碼：

這個 Code 對應的這些數就是程序計數器了。

1.1.2、虛擬機棧

虛擬棧屬於線程私有部分，在線程內部中一般會調用很多方法，而每一個方法使用一個棧幀來描述。

下面用一個草圖來描述一下棧幀與虛擬機棧的關係：

虛擬機棧是由多個棧幀組成，每調用一個方法就相當於有一個棧幀入棧到虛擬機棧中。

1.1.3、棧幀的組成

在前面描述過，在線程中，一個方法被調用就會一個棧幀被壓入虛擬機棧中。棧幀就是用來描述這個方法，一個棧幀是由局部變量表，操作數棧，返回值地址，動態鏈接組成。

下面還是回到上面示例，結合草圖，看它們之間的關係：

局部變量表：

方法內部聲明的變量存放表

32位地址，尋址空間爲 4G 。如果需要存放64位的數據，需要使用高位和地位表示。

下面是 pay() 生成的局部變量表：

• this 表示當前對象
• i
• obj

操作數棧：

對局部變量表中的變量進行出棧入棧的操作。

返回值地址：

一個方法被執行之後，有一個返回值，返回給對應的調用處。

動態鏈接:

主要對應的多態，只有代碼執行時才知道具體的實現類是那個對象。

1.1.4、StackOverflowError

這個異常想必很多人都遇過，字面意思就是棧溢出。我們通過上面的分析我們知道，虛擬機棧如果不斷出現棧幀入棧，當虛擬機棧空間達到上限，那麼就會出現 StackOverflowError。

下面來模擬這個錯誤的產生：

public class StackOverflowError {
    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        try {
            recursion();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("deep of calling = " + count);
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void recursion() {
        count++;
        recursion();
    }
}

如果是死循環出現這樣的錯誤StackOverflowError，那麼通過 -Xss 參數的設置也是沒有用。

當然，如果是因爲虛擬機棧空間比較少到導致頻繁出現這個錯誤，那麼是可以合理的調節這個參數的。

例如設置參數：-Xss164K

1.1.5、本地方法棧

虛擬機棧對應的方法是 Java 方法，而本地方法棧對應的是 native 方法。其他方面應該和虛擬機棧差不多。

1.2、線程共享區域

1.2.1、方法區

方法區所存放的數據爲類信息,常量，靜態變量,即時編譯後的代碼。

在 JDK1.8 以下的 JVM 中，方法區就是對應的永久代，而 JDK1.8 之後方法區就變成了元空間(MetaSpace)

1.2.2、堆空間

在堆空間中主要存放的是通過 new 創建出來的對象或者數組。

##1.3、JVM 內存模型-堆

在 JVM 內存模型中，將線程共享部分分爲了堆空間和方法區，下面主要來看堆空間是如何進一步劃分的。

在下面這張草圖中，JVM 堆空間按照分代思想劃分爲新生代和老年代兩部分，它們兩者空間分別爲堆空間的1/3和2/3。

對於新生代這個區域又進一步進行劃分爲 Eden區， from區，to區這三個區域。

• 對象或者數組的創建優先在 Eden 區分配內存空間。
• 如果新創建的大對象在新生代放不下，那麼會直接移入老年代空間。
• 在每一次進行 Minor GC 之後，Eden 區的垃圾對象就會被回收，並且存活的對象會進入 from區 或者 to區。在每次 Minor GC 之後存活的對象的年齡會累加，當多次 GC 之後，對象的年齡達到 15 ，那麼將進入老年代。
• 如果 Eden 區存活的對象太大，放不進 from 或者 to 中，那麼將進入老年代。

注意：在新生代中發生的 GC 爲 Minor GC 而老年代發生的 GC 爲 Full GC， Full GC 比 Minor GC 的效率要低。

1.4、垃圾回收算法

GC 是如何判斷一個對象是否需要被回收呢？

在 JVM 中主要有兩種判斷方法：

• 對象引用記數法

當一個對象被一個變量引用時，那麼引用計數累加。如果一個對象沒有被其他變量引用，那麼就是需要被 GC 回收的。但是這裏有一個弊端，那就是對象間相互引用導致無法被回收的問題。

• 可達性分析算法

從一個 GCRoot 開始遍歷，當一個對象到 GCRoot 沒有直達路徑時，就標記爲不可達，是需要被 GC 回收的。

那什麼對象可以作爲 GCRoot 呢？

• 局部變量表所引用的對象
• 靜態變量/常量引用的對象
• 本地方法引用的對象

JVM垃圾收集算法

• 標記清除法

標記清除算法分爲兩個階段：

標記階段負責將將可回收的對象進行標記出來，清除階段負責將這些標記出來的對象進行回收。從下面的圖可以看出，這種算法會造成內存碎片。

• 複製算法：

它將可用內存按容量劃分爲大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當這一塊的內存用完了，就將還存活着的對象複製到另外一塊上面，然後再把已使用過的內存空間一次清理掉。
這樣使得每次都是對其中的一塊進行內存回收，內存分配時也就不用考慮內存碎片等複雜情況，實現簡單，運行高效。只是這種算法的代價是將內存縮小爲原來的一半，持續複製長生存期的對象則導致效率降低。

• 標記整理法：

複製收集算法在對象存活率較高時就要執行較多的複製操作，效率將會變低。更關鍵的是，如果不想浪費50%的空間，就需要有額外的空間進行分配擔保，以應對被使用的內存中所有對象都100%存活的極端情況，所以在老年代一般不能直接選用這種算法。
根據老年代的特點，有人提出了另外一種“標記-整理”（Mark-Compact）算法，標記過程仍然與“標記-清除”算法一樣，但後續步驟不是直接對可回收對象進行清理，而是讓所有存活的對象都向一端移動，然後直接清理掉端邊界以外的內存

• 分代收集算法：

根據分代思想對堆區劃分位新生代和老年代，針對這個兩個區只用不同的回收算法。
新生代：使用複製算法
老年代：使用標記清理算法或者標記整理算法

總結

…

記錄於2019年3月27日