Java 內存回收機制——GC機制

1、Java GC 概念說明

　　Java GC（Garbage Collection，垃圾收集，垃圾回收）機制，是Java與C++/C的主要區別之一，做爲Java開發者，通常不須要專門編寫內存回收和垃圾清理代碼，對內存泄露和溢出的問題，也不須要像C程序員那樣戰戰兢兢。這是由於在Java虛擬機中，存在自動內存管理和垃圾清掃機制。歸納地說，該機制對JVM（Java Virtual Machine）中的內存進行標記，並肯定哪些內存須要回收，根據必定的回收策略，自動的回收內存，永不停息（Nerver Stop）的保證JVM中的內存空間，防止出現內存泄露和溢出問題。

　　Java GC機制主要完成3件事：肯定哪些內存須要回收，肯定何時須要執行GC，如何執行GC。下面咱們將從4個方面學習Java GC機制，1，內存是如何分配的；2，如何保證內存不被錯誤回收（即：哪些內存須要回收）；3，在什麼狀況下執行GC以及執行GC的方式；4，如何監控和優化GC機制。

2、Java內存區域劃分 

　　瞭解Java GC機制，必須先清楚在JVM中內存區域的劃分。在Java運行時的數據區裏，由JVM管理的內存區域分爲下圖幾個模塊：

1. 程序計數器（Program Counter Register）

程序計數器是一個比較小的內存區域，用於指示當前線程所執行的字節碼執行到了第幾行，能夠理解爲是當前線程的行號指示器。字節碼解釋器在工做時，會經過改變這個計數器的值來取下一條語句指令。

每一個程序計數器只用來記錄一個線程的行號，因此它是線程私有（一個線程就有一個程序計數器）的。

若是程序執行的是一個Java方法，則計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令地址；若是正在執行的是一個本地（native，由C語言編寫完成）方法，則計數器的值爲Undefined，因爲程序計數器只是記錄當前指令地址，因此不存在內存溢出的狀況，所以，程序計數器也是全部JVM內存區域中惟一一個沒有定義OutOfMemoryError的區域。

2. Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）

一個線程的每一個方法在執行的同時，都會建立一個棧幀（Statck Frame），棧幀中存儲的有局部變量表、操做站、動態連接、方法出口等，當方法被調用時，棧幀在JVM棧中入棧，當方法執行完成時，棧幀出棧。

局部變量表中存儲着方法的相關局部變量，包括各類基本數據類型，對象的引用，返回地址等。在局部變量表中，只有long和double類型會佔用2個局部變量空間（Slot，對於32位機器，一個Slot就是32個bit），其它都是1個Slot。須要注意的是，局部變量表是在編譯時就已經肯定好的，方法運行所須要分配的空間在棧幀中是徹底肯定的，在方法的生命週期內都不會改變。

虛擬機棧中定義了兩種異常，若是線程調用的棧深度大於虛擬機容許的最大深度，則拋出StatckOverFlowError（棧溢出）；不過多數Java虛擬機都容許動態擴展虛擬機棧的大小(有少部分是固定長度的)，因此線程能夠一直申請棧，直到內存不足，此時，會拋出OutOfMemoryError（內存溢出）。

每一個線程對應着一個虛擬機棧，所以虛擬機棧也是線程私有的。

3. 本地方法棧（Native Method Stacks）

本地方法棧在做用，運行機制，異常類型等方面都與虛擬機棧相同，惟一的區別是：虛擬機棧是執行Java方法的，而本地方法棧是用來執行native方法的，在不少虛擬機中（如Sun的JDK默認的HotSpot虛擬機），會將本地方法棧與虛擬機棧放在一塊兒使用。

本地方法棧也是線程私有的。

4. 堆區（Heap） （新生代和舊生代）

堆區是理解Java GC機制最重要的區域，沒有之一。在JVM所管理的內存中，堆區是最大的一塊，堆區也是Java GC機制所管理的主要內存區域，堆區由全部線程共享，在虛擬機啓動時建立。堆區的存在是爲了存儲對象實例，原則上講，全部的對象都在堆區上分配內存（不過現代技術裏，也不是這麼絕對的，也有棧上直接分配的）。

通常的，根據Java虛擬機規範規定，堆內存須要在邏輯上是連續的（在物理上不須要），在實現時，能夠是固定大小的，也能夠是可擴展的，目前主流的虛擬機都是可擴展的。若是在執行垃圾回收以後，仍沒有足夠的內存分配，也不能再擴展，將會拋出OutOfMemoryError:Java heap space異常。

5. 方法區（Method Area）（永久代）

方法區是各個線程共享的區域，用於存儲已經被虛擬機加載的類信息（即加載類時須要加載的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、靜態變量、編譯器即時編譯的代碼等。

方法區在物理上也不須要是連續的，能夠選擇固定大小或可擴展大小，而且方法區比堆還多了一個限制：能夠選擇是否執行垃圾收集。通常的，方法區上執行的垃圾收集是不多的。但這也不表明着在方法區上徹底沒有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是針對常量池的內存回收和對已加載類的卸載。

在方法區上進行垃圾收集，條件苛刻並且至關困難，效果也不使人滿意，因此通常不作太多考慮，能夠留做之後進一步深刻研究時使用。

在方法區上定義了OutOfMemoryError:PermGen space異常，在內存不足時拋出。

6. 新生代、舊生代、永久代

虛擬機中共劃分爲三個代：新生代、舊生代、永久代。年輕代和年老代的劃分是對垃圾收集影響比較大的。
全部新生成的對象首先都是放在新生代的；舊生代中存放的都是一些生命週期較長的對象。永久代用於存放靜態文件，如Java類、方法等。永久代對垃圾回收沒有顯著影響。

3、Java對象的訪問方式

 一個Java的引用訪問涉及到3個內存區域：JVM棧，堆，方法區。

以最簡單的本地變量引用：Object obj = new Object()爲例：

• Object obj表示一個本地引用，存儲在JVM棧的本地變量表中，表示一個reference類型數據；
• new Object()做爲實例對象數據存儲在堆中；
• 堆中還記錄了Object類的類型信息（接口、方法、field、對象類型等）的地址，這些地址所執行的數據存儲在方法區中；

 在Java虛擬機規範中，對於經過reference類型引用訪問具體對象的方式並未作規定，目前主流的實現方式主要有兩種：

 1. 經過句柄訪問：

經過句柄訪問的實現方式中，JVM堆中會專門有一塊區域用來做爲句柄池，存儲相關句柄所執行的實例數據地址（包括在堆中地址和在方法區中的地址）。這種實現方法因爲用句柄表示地址，所以十分穩定。

2. 經過直接指針訪問：

經過直接指針訪問的方式中，reference中存儲的就是對象在堆中的實際地址，在堆中存儲的對象信息中包含了在方法區中的相應類型數據。這種方法最大的優點是速度快，在HotSpot虛擬機中用的就是這種方式。

4、參考資料

1.《JAVA編程思想》第5章

2.《Java深度歷險》Java垃圾回收機制與引用類型

3.《深刻理解Java虛擬機：JVM高級特效與最佳實現》，第2-3章

4. Java內存區域理解-初步瞭解： http://iamzhongyong.iteye.com/blog/1333100

5. 關於施用full gc頻繁的分析及解決： http://www.07net01.com/zhishi/383213.html