JVM內存分配和回收

本文內容來自《Java編程思想（第四版）》第二章《一切都是對象》和第五章《初始化與清理》。做爲一個使用了好幾年的Javaer，再次看編程思想的前面章節（不要問我爲何用再，儘管我第一遍看的啥，一點都不記得了。）

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一個程序須要在計算機中運行，其本質是CPU操做內存中[1]的數據，進行某些運算的過程。因此這個問題是，計算機是如何操做這些數據的。

要解答這個問題，必須知道1.這些數據指的是什麼？2.這些數據是如何存儲在內存中的？

1. 這些數據指的是程序在算出指望結果過程當中，所須要的一些信息，包括數據自己（多是文本，圖像等，但這些都是毫無例外的用二進制形式存儲的），以及計算過程當中產生的中間值，包括一些內存地址，空白的信息（佔坑用）等，總之他們都是有結構的被存儲在內存中的二進制。[2]
2. 這是個大問題，要分步來解答。

a)   數據能夠存在哪裏？

l  寄存器。存在這裏的讀取和寫入速度都是最快的，由於寄存器是CPU的一部分，而CPU是幹活的所有力量，因此CPU和寄存器的交互速度很是快，比內存快上百來倍（未考證）。至於爲何寄存器更快呢？由於寄存器用的是SRAM，而內存是DRAM，SRAM貴多了。至於爲何SRAM比DRAM快，這個我也不知道（喂，在這麼下去，要跑題了）。

l  堆棧：堆棧是存在內存的。用的是棧的數據結構，它快的緣由是棧的空間分配速度很快，只須要將指針上移下移就好了。（這種上下其手的事情慢了怎麼行。）

l  堆：堆也是放在內存的，並且只比堆棧少一個字！不過它的速度慢多了，這是由於它是堆的數據結構，堆天生就比棧慢。可是堆棧太大了效率就吃不消，你去試試對樂山大佛·上上下下啊！而堆就不同了，能存的東西就多多了。

l  其餘：包括常量堆，流、持久化對象（這個是存在磁盤和網絡上的）。

b)   而後呢？（如何操做存在內存的數據）

對內存中數據的操做，彙編是直接操做的，所以你能夠在組成原理中看到，內存尋址是一塊很重要的內容。C/C++是採用「指針」來間接操做的，它要負責內存的分配和回收，例如malloc就是要內存的節奏。

在Java中，一切都是對象。對象有可能很龐大也可能很小。Java將對象的引用存儲在棧上，這樣能夠快速找到定位，將實際的對象存儲在堆中。引用的本質是內存地址，它直接指向堆裏相應的對象。因此你在Java中輸出this的時候，其實輸出的是Java對象的內存地址。

前面說了，堆的操做比較慢。可是實際上，Java的堆並不慢，根據編程之美的說法，Java堆的效率能夠媲美某些語言（我也不知道某些是哪些）的棧。這主要得益於JVM良好的垃圾回收機制。

c)   JVM垃圾回收機制

程序在運行過程當中，須要不斷的申請新的內存空間，而後釋放掉不用的對象。程序刪除不用的內容後，原來這些內容佔着的坑（內存空間）就會空出來。如此便會形成大量的內存碎片存在。內存碎片會下降內存使用率，並致使一些大內存對象的分配顯得困難。整合這些內存碎片，是很是消耗資源的行爲（可是又不得不整合）。JVM的內存回收機制（垃圾回收機制）乾的就是這個活。

那麼，JVM是如何進行垃圾回收的呢？

簡言之，就是根據某些策略，找到那些不用的對象，並將它們釋放掉。固然若是能順便解決內存碎片就更好了，麼麼噠。

d)   如何找到失活對象？（根據什麼策略呢）

有個理論上很是簡單的方式就是，若是一個對象被引用了，那麼給它的計數增長1，對象被釋放掉了，就減去1，那麼當一個對象的引用是0的時候，他就絕不留情的被垃圾回收機制回收了。這個方式叫作「引用計數」。可是這個方式有個致命的問題：當兩個對象相互引用的時候，計數就永遠不爲0，即使這些對象是須要被釋放掉的。

因此，JVM就不用這個方式啦。

JVM的作法是：遍歷棧裏的全部引用，有引用的對象即是活的對象，沒引用的對象，就是被當作孤魂野鬼來處理。爲了解決內存碎片的問題，JVM使用了一種叫作「中止-複製(stop-and-copy)」的作法，即暫停當前程序，而後將活的對象複製到另外一片內存區域；如此，既解決了內存碎片（新複製的對象在內存上是連續的），有解決了垃圾回收（沒有引用的對象就被拋棄了）。可是這樣子，效率上並不過高，另外，還須要一大片內存來作備胎。另外，程序穩定運行後，內存碎片可能並很少。

這時候，JVM的另外一個套機制，叫作標記-清掃(mark-and-sweep)的方式。這種方式也是從棧出發，遍歷全部引用，爲有引用的對象標記存活標記；標記以後，再開始清掃，即清理沒被標記的對象。這時候獲得的結果，其內存是不連續的。

JVM會監視內存使用狀態，在程序穩定的時候，啓動標記-清掃方式，當堆碎片過多的時候，啓動中止-複製方式。JVM管這個過程叫作自適應的垃圾回收機制。

在上面所述的過程當中，內存是以塊爲單位進行分配的。較大的對象會佔據一整個塊。每一個塊都有一個參數叫作代數(generation count)，標記其是否存活。對於大型對象，在中止-複製過程當中，也不會被再複製一遍，只是代數增長。（這個是爲了減小複製的內容，從而減小內存佔用。）

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[1] 也多是寄存器中

[2] 這個解答是我瞎編的，並不是來自編程思想一書，請你們踊躍找錯。

 

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