Java中的内存分配与垃圾回收

Posted 2020-08-06

一、内存分配    

Java程序运行时的内存分配，按照JVM规范，包括以下几个区域：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、方法区、堆。其中，前三个是线程私有的，与线程生命周期相同，线程退出内存自动回收；后两者是所有线程共享内存的，只在垃圾回收机制被触发时，被动回收。

* 程序计数器，内存区域极小，是当前线程的字节码执行行号指示器；

* 虚拟机栈、本地方法栈，即平时所说的“栈”，是虚拟机用来执行方法（包括Java、非Java方法）时，使用的临时内存空间，用来存储当前方法、局部变量等，全部基本类型变量，以及类对象的引用都存储在栈中；

* 方法区，全局共享区域，用来存储已经被虚拟机加载的Class信息、常量（如字符串字面常量）、静态变量，以及编译器编译后的代码等；

* 堆，是Java虚拟机管理中最大的一块内存，为所有线程所共享，用来存储所有Java类实例。需要注意的是，实例数据在堆中开辟内存，而对象的引用相当于指针，存储在各线程的栈中。

二、垃圾回收算法

垃圾回收需要解决的三个问题：

1）哪些内存可回收。上面各内存区域中，只有方法区、堆是全局共享的内存块，需要垃圾回收来处理，定时回收内存。确定某个对象是否可回收，需要通过“可达性分析算法”来判断，哪些内存块是孤立无源、不可达的对象或对象集合。 

2）什么时间能执行回收。执行垃圾回收时，需要完全地“冻结”现场，达到所谓“stop the world”，以避免在GC的过程中，引用关系发生变化，而引发问题。虚拟机的做法是让所有线程主动式中断，但并非立刻强制中断线程，而是GC线程设置一个标识，让其它所有线程在到达其下一个“安全点”时，根据此标识而主动挂起线程，等待GC线程的操作；

3）如何执行垃圾回收。垃圾回收算法有很多，但总体策略是分代回收，针对新生代、老生代特点，采取的GC算法是不同的。

* 对于新生代内存块，对象存活率低，需要频繁清理，为了避免“标记-清除”算法的碎片化问题，也为了提高效率，采取“复制”算法，即将新生代（young区）分为eden+survivor1+survivor2几块空间，在进行GC时，将eden/survivor1中的存活对象，复制到survivor2空间中暂存，然后整块清理掉前面的eden+survivor1区域，回收这块通常占比90%的内存区域。

* 对于老生代内存块，对象存活率高，不需要进行频繁的存活性判断的扫瞄，当进行GC时，通常使用“标记-整理”算法：标记可回收区域、移动集中存活对象内存、最终对剩余的垃圾区域进行回收。

三、垃圾收集器实现

GC线程在工作时，会完全或部分中断用户线程，影响系统吞吐率，使用户任务出现停顿甚至卡死。新生代的收集器有Serial/ParNew/Parallel Scavenge，老生代的收集器有CMS/Serial Old/Parallel Old。

* Serial/Serial Old是单线程收集器，在进行GC时，会中断所有用户线程，在新、老生代分别采用复制算法和标记-整理算法进行垃圾清理；

* ParNew是多个GC线程并行，但同样会中断所有用户线程，算法层面和Serial系列一致；

* Parallel收集器，同样也是多线程并行的回收器，不同的是其关注的是系统的吞吐率的指标，即用户任务的停顿时间比例，而不是停顿的绝对时间。

* CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器，目的是追求最短停顿时间，目前流行最为广泛的收集器实现。分为initial mark/concurrent mark/remark/concurrent sweep四个步骤。其中，initial mark仅标记一下GC Roots能直接关联到的对象，concurrent mark是多GC线程同时与用户线程进行并发，进行GC Roots Traceing，实质是存活对象的联通域生长与标记，remark阶段对concurrent mark阶段用户线程并发执行时的对象引用变动，进行修正，concurrent sweep是并发地对垃圾进行清理。第1、3步，所有用户线程依然会中断，但因为其操作十分简单，所以速度很快，第2、4步，耗时较长，但是与用户线程并发进行的，因此整体来看，CMS GC的用户任务停顿时间极短。