[Java]深入理解Java虚拟机JVM内存模型与垃圾回收机制全解析

深入理解Java虚拟机（JVM）内存模型

Java虚拟机（JVM）的内存模型是Java应用程序运行时的基础，它负责管理Java程序所需的所有内存资源。该模型被划分为若干个不同的数据区域，每个区域各有其特定的职责和生命周期。理解这些区域是进行JVM调优和故障诊断的先决条件。

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。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，因此每个线程都有一个独立的程序计数器，各线程之间互不影响，独立存储，这类内存区域被称为“线程私有”的内存。

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。局部变量表中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。

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，其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。

Java堆（Java Heap）

对于大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机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堆还可以细分为：新生代和老年代。

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，但是它却有一个别名叫做“非堆”，目的是与Java堆区分开来。运行时常量池是方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

直接内存（Direct Memory）

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在JDK 1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道与缓冲区的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

深入解析JVM垃圾回收机制

Java的自动内存管理，也称为垃圾回收（Garbage Collection, GC），是JVM的核心功能之一。它自动地释放不再被使用的对象所占用的内存，从而避免了内存泄漏和手动管理内存的复杂性。

如何判断对象是否存活？

垃圾回收的首要问题是判断哪些对象是“存活”的，哪些是已经“死亡”（即不再被任何途径使用）的。主流Java虚拟机采用可达性分析算法来判定对象是否存活。这个算法的基本思路是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的。

垃圾收集算法

确定了哪些垃圾需要回收后，垃圾收集器的任务就是进行垃圾回收，释放内存。主要的垃圾收集算法有以下几种：

1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）：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。它的主要不足是效率问题和空间问题（标记清除后会产生大量不连续的内存碎片）。

2. 复制算法（Copying）：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，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可。现代商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代。

3. 标记-整理算法（Mark-Compact）：标记过程仍然与“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一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。该算法主要用于老年代。

4. 分代收集算法（Generational Collection）：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。

常见的垃圾收集器

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，每种收集器都有其特点和适用场景。

Serial收集器：是一个单线程的收集器，它在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束。简单而高效，对于运行在Client模式下的虚拟机来说是一个很好的选择。

ParNew收集器：Serial收集器的多线程版本，是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器。

Parallel Scavenge收集器：一个专注于达到可控制的吞吐量的新生代收集器。吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值。

Serial Old收集器：是Serial收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用“标记-整理”算法。

Parallel Old收集器：是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它非常符合在重视用户体验的应用上的需求。基于“标记-清除”算法实现。

G1（Garbage-First）收集器：一款面向服务端应用的垃圾收集器，是当今收集器技术发展的最前沿成果之一。G1是一款“标记-整理”算法实现的收集器，它能够实现可预测的停顿，并且可以非常精确地控制停顿时间。