JVM之記憶體管理

　　都說搞C的牛叉，那是因為C解決問題，全靠程式設計師自己，他們對自己的程式在記憶體中是什麼樣瞭如指掌。而Java呢不需要有太多作業系統的知識，不用時時注意記憶體的問題，但這不代表我們就不用去了解它背後的原理，（其實我是被公司的C嘲諷了一下OoO）。 Java之所以容易上手，那是因為最困難的問題，已經被前人解決了，而這一切都歸功於Java Virtual Machine-Java虛擬機，JVM其實就是一台抽象的計算機，它有自己的指令集，有自己的機器語言，有自己的記憶體管理。本系列會一一解開它的真面目。

　　本文基於Java HotSpot™ 虛擬機，JDK 1.8，將討論：

JVM 內部結構

JVM 記憶體管理

JVM 記憶體模型

JVM 記憶體管理

JVM 記憶體模型

一個程式執行的過程是這樣的，以C語言為例，原始碼首先被編譯成可執行文件，以二進制的形式存放到磁碟上，當執行時，首先從磁碟載入到記憶體中，然後處理器就開始執行目標程式中機器指令。反觀Java，先編譯成字節碼文件，與平台無關，JVM透過ClassLoader載入到記憶體中，然後執行其中的機器指令，JVM幫我們跟作業系統打交道。有了字節碼和JVM，Java實現了平台無關性。 JVM也可以認為是一個進程，在啟動時申請一塊內存，然後按照功能的不同，把內存分為以下不同區域：

（1） Heap

　　堆，一個非常重要的區域，被所有線程共享，基本所有的物件實例都在這裡分配，大部分的垃圾回收也都發生在這裡。這部分內存，由JVM使用Garbage Collector（自動內存管理工具）來管理，職責就是為物件分配內存，釋放空閒內存。 Java 堆的大小可以使用參數來控制是固定的，還是動態擴充的。

（2） JVM Stacks

　　棧，與執行緒息息相關，執行緒私有，隨執行緒生而生，死而死，是執行緒執行工作的記憶體。 HotSpot中Java棧和本地方法棧合而為一，都在本地記憶體空間中分配，這部分記憶體就不需要JVM刻意的去管理了。 JVM棧主要用來儲存棧幀，當呼叫一個方法時建立一個棧幀，方法結束銷毀，從棧的角度來看，就是入棧和出棧兩個操作。

　　棧幀是一個資料結構，用來儲存局部變量，操作數棧，和當前類別運行時常數池的參考。局部變數數組：用來保存方法內定義的基本型別變量，下標從0 開始，JVM使用局部變數表傳遞方法參數，當呼叫一個實例方法，第0 位置儲存的是目前物件的this 參考；運算元堆疊：用來執行運算和準備呼叫方法的參數以及方法的回傳結果；動態連結：引用物件的運行時常數池。

（3） PC Register

　　程式計數器，線程私有，主要作用就是儲存指令位址，取指，解碼和執行。每個執行緒都關聯著唯一的堆疊和PC暫存器。

（4） Metaspace

　　元空間，在JDK8之前的HotSpot VM稱之為方法區或永久代，被各線程共享，它存儲了一個類的結構信息，如常量池、字段、方法等。存放在本地記憶體中，與堆不相關。

（5） Native Method Stacks

　　JVM棧是為Java方法準備的，那麼本地方法棧則是為虛擬機器呼叫本地方法服務的。

2. JVM 記憶體管理

　　Java不允許直接操作內存，記憶體的申請和釋放統一交給虛擬機處理。

2.1 Garbage Collection 自動記憶體管理

　　自動記憶體管理（以下簡稱GC）的職責：

分配記憶體

確保引用對象保留在記憶體

回收不可達引用物件的記憶體的大部分記憶體記憶體分配問題，它本身也佔用一定的資源。當堆滿了或它的某個組成部分達到一個閥值就會觸發垃圾回收。垃圾回收主要從這幾方面考慮：回收的頻率和時間，例如堆小那麼回收的次數就多，堆大回收次數少，但回收一次的時間長；記憶體碎片問題；多執行緒程式下的垃圾回收。

垃圾回收策略：

（1）串列與並行（Serial versus Parallel）

　　串行，同一時間只能有一個垃圾回收線程工作；並行，在多CPU系統中，可有多個垃圾回收線程同時工作。

（2）併發與Stop-the-world（Concurrent versus Stop-the-world）

　　Stop-the-world 垃圾回收器，在回收期間，應用程式完全暫停工作，此時堆就相當於被凍結了，物件的狀態不可變；並發，一個或多個垃圾收集任務與應用程式同時執行，可能會出現短暫的Stop-the-world，在收集時，物件的狀態可能會改變。

（3）複製（Copying）

　　將內存分為兩半，回收時將存活的對象複製到另一半空間，然後清除當前內存，後續內存的分配比較容易，但內存的利用率比較低。

（4） 標記清除與標記整理（Compacting versus Non-compacting）

　　標記清除，標記可回收的對象，統一進行回收，不進行內存壓縮，會產生大量的內存碎片，在分配大對象時，可能無法找到連續的記憶體；標記整理，在標記完後，先對記憶體進行壓縮整理，把所有存活的物件放到一起回收。

（5）分代收集

　　把堆分成幾個區域，新生代和老年代，不同的區域使用上面的不同的回收方法。

2.2 HotSpot 中的分代收集

　　在HotSpot 中，把內存分為新生代和老年代，新生代又分為Eden和兩個大小一樣的Survivor空間，大部分對像在Eden分配，一些大對象可能直接分配到老年代。

堆的結構如下：

圖 2 堆