《深入解析Java虚拟机JVM内存结构与垃圾回收机制详解》

JVM内存模型概览

Java虚拟机（JVM）在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途、创建和销毁的时间。理解JVM的内存结构是深入理解Java应用程序运行机制和性能调优的基础。JVM内存区域主要包括程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆和方法区（包含运行时常量池）。

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）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，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。由于JVM的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）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（Stack Frame）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。局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAddress类型。这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是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Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如HotSpot）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

Java堆

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆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”。从内存回收的角度看，由于现代收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）。

方法区

方法区（Method Area）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，但是它却有一个别名叫做“非堆”（Non-Heap），目的应该是与Java堆区分开来。对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价。运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

垃圾收集算法

垃圾收集（Garbage Collection, GC）需要完成的三件事情是：哪些内存需要回收？什么时候回收？如何回收？垃圾收集器重点关注的是Java堆和方法区这部分内存。判断对象是否存活一般有两种算法：引用计数算法和可达性分析算法。主流Java虚拟机使用可达性分析算法来判断对象是否存活。即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程。

垃圾收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。Java虚拟机规范中对垃圾收集器应该如何实现并没有任何规定，因此不同的厂商、不同版本的虚拟机所提供的垃圾收集器都可能会有很大差别。HotSpot虚拟机包含的收集器有：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、G1收集器等。没有最好的收集器，只有最适合具体应用的收集器。

内存分配与回收策略

Java技术体系的自动内存管理最终可以归结为自动化地解决了两个问题：给对象分配内存以及回收分配给对象的内存。对象的内存分配，往大方向讲，就是在堆上分配，对象主要分配在新生代的Eden区上，如果启动了本地线程分配缓冲，将按线程优先在TLAB上分配。少数情况下也可能会直接分配在老年代中。垃圾收集器通常遵循“分代收集”的理论，据此，新生代GC（Minor GC）和老年代GC（Major GC / Full GC）的行为和策略也各不相同。