深入理解Java虚拟机JVM内存模型与垃圾回收机制

深入理解Java虚拟机（JVM）内存模型

Java虚拟机（JVM）是Java语言实现跨平台能力的核心，而JVM内存模型则是其执行Java程序的基石。JVM在运行程序时，会将其管理的内存划分为若干个不同的数据区域，这些区域有着各自独特的用途、创建与销毁时机。深入理解JVM内存模型，是进行Java应用性能分析、故障诊断和优化的必备前提。

JVM运行时数据区

JVM内存模型主要涵盖了以下几个运行时数据区：

程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时，就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。每个线程都有自己独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，因此该区域是“线程私有”的。

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。人们常说的Java内存区分为堆和栈，其中的“栈”通常就是指虚拟机栈，或者更具体地说是虚拟机栈中的局部变量表部分。

本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，它们之间的区别在于：虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

Java堆（Java Heap）

Java堆是JVM所管理的内存中最大的一块，它是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称作“GC堆”。从内存回收的角度来看，由于现代垃圾收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点则有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

方法区（Method Area）

方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它却有一个别名叫作“非堆”，目的是与Java堆区分开来。在HotSpot虚拟机的实现中，方法区也被称为“永久代”，但在JDK 8及后续版本中，永久代已被移除，取而代之的是元空间（Metaspace），它使用本地内存来存储类元数据。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

深入理解JVM垃圾回收（GC）机制

Java的自动内存管理，主要集中在对Java堆内存的自动化管理上。由于Java堆是垃圾收集器的工作重点，因此理解垃圾回收机制至关重要。其核心问题在于：如何判断对象是否存活？以及如何回收这些“死亡”对象所占用的内存？

判断对象是否存活

引用计数算法

给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。客观来说，引用计数算法的实现简单，判定效率也很高，但在Java领域至少主流的虚拟机中并没有选用它来管理内存，主要原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

可达性分析算法

当前主流的商用程序语言（如Java、C#）的内存管理子系统，都是通过可达性分析算法来判定对象是否存活的。这个算法的基本思路是通过一系列称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径称为“引用链”。如果某个对象到GC Roots间没有任何引用链相连（用图论的话来说，就是从GC Roots到这个对象不可达时），则证明此对象是不可能再被使用的。

在Java技术体系里面，固定可作为GC Roots的对象包括以下几种：虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象、方法区中类静态属性引用的对象、方法区中常量引用的对象、本地方法栈中JNI（即通常所说的Native方法）引用的对象等。

垃圾收集算法

标记-清除算法

该算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后，统一回收所有被标记的对象。它的主要不足有两个：一个是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；另一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

复制算法

为了解决效率问题，复制算法出现了。它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况。现代的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代，因为新生代中的对象有“朝生夕死”的特点，所以不需要按照1:1的比例来划分内存空间，而是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor。当回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地复制到另外一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。

标记-整理算法

复制算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。标记-整理算法的标记过程与标记-清除算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向内存空间一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。

分代收集算法

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”算法，这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用标记-清理或者标记-整理算法来进行回收。

常见垃圾收集器

垃圾收集器是内存回收算法的具体实现。HotSpot虚拟机提供了多种不同的收集器，每种收集器都有各自的特点和适用场景，例如Serial收集器、ParNew收集器、Parallel Scavenge收集器、Serial Old收集器、Parallel Old收集器、CMS收集器以及G1收集器等。从JDK 11开始，ZGC和Shenandoah等低延迟垃圾收集器也逐渐成为新的选择。了解这些收集器的工作原理和优缺点，对于在实际生产环境中根据应用需求进行调优至关重要。

综上所述，JVM内存模型与垃圾回收机制是Java体系结构中非常核心和复杂的部分。深入理解这些基础知识，能够帮助开发者编写出更高效、更健壮的Java应用程序，并能在遇到内存溢出、性能瓶颈等问题时，能够快速定位并有效解决。