JVM内存管理

1.Java中哪些组件需要用到内存

1）堆

用于存储Java对象的内存区域，堆的大小在JVM启动时就一次向OS申请完成，通过-Xmx和-Xms两个选项来控制大小，前者表示堆的最大大小，后者表示堆的初始大小。一旦分配完成，堆的大小就将固定，不能在内存不够时再向OS重新申请，同时当内存空闲时也不能将多余的空间还给OS。

Java堆中内存空间的管理由JVM来控制，对象创建由Java应用程序控制，但是对象所占的空间释放由管理堆内存的垃圾收集器（GC）来完成。根据垃圾收集（GC）算法的不同，内存回收的方式和时机也会不同。

2）线程

JVM运行实际程序的实体是线程，当然线程需要内存空间来存储一些必要的数据。每个线程创建时JVM都会为它创建一个栈。

3）类和类加载器

它们也被存储在堆中，这个区域叫做永久区（PermGen区）。

JVM只会加载一个类到内存一次，并且JVM也不会对失效的类做卸载，通常一个类能够被卸载有如下一些条件需要被满足：

（1）堆中没有对表示该类加载器的java.lang.ClassLoader对象的引用。

（2）堆中没有对表示该类加载器的类的任何java.lang.Class对象的引用。

（3）堆上该类加载器加载的任何类的所有对象都不再存活。

4）NIO

NIO使用java.nio.ByteBuffer.allocateDirect()分配内存时使用的是本机内存而不是JVM堆上的内存。

直接ByteBuffer对象会自动清理本机缓冲区，但这个过程只能作为JVM堆GC的一部分来执行，因此它们不会自动响应施加在本机内存上的压力。GC仅在Java堆被填满，以至于无法为堆分配请求提供服务时发生，或者在Java应用程序中显示请求发生。

当前很多NIO框架都在代码中显示调用System.gc()来释放NIO持有的内存。但是这种方式会影响应用程序的性能，因为会增加GC的次数，可以通过设置-XX:+disableExplicitGC来控制System.gc()的影响。

5）JNI

会增加Java程序运行时的本机内存占用。

2.JVM内存结构

JVM是按照运行时数据的存储结构来划分内存结构的，JVM在运行Java程序时，将他们划分成几种不同格式的数据，分别存储在不同的区域，这些数据统一称为运行时数据（Running Data）。

JVM规范将运行时数据划分为6中：

1）PC寄存器

严格来说是一个数据结构，用于保存当前正在执行的程序的内存地址。

注：JVM规范只定义了Java方法需要记录指针信息，而对于Native方法，并没有要求记录执行的指针地址。

2）栈

每当创建一个线程时，JVM就会为这个线程创建一个对应的栈，栈中的每个数据单元称为栈帧，栈帧是与每个方法关联起来的，每运行一个方法就创建一个栈帧，每个栈帧会包含一些内部变量，操作栈和方法返回值等信息。

3）堆

堆是存储Java对象的地方，它是JVM管理Java对象的核心存储区域。

每一个存储在堆中的Java对象都会是这个对象的类的一个副本，它会复制包括继承自它父类的所有非静态属性。

堆是被所有Java线程所共享的，所以对它的访问需要注意同步问题，方法和对应的属性都需要保证一致性。

4）方法区

用于存储类结构信息的地方，在将一个class文件解析成JVM能识别的几个部分，这些不同的部分在这个class被加载到JVM时，会被存储在不同的数据结构中，其中的常量池，域，方法数据，方法体，构造函数，包括类中的专用方法等都存储在这个区域。

这个存储区域属于堆的一部分，通常称为永久区。被所有线程共享，可以通过参数设置它的大小。

这个存储区域的大小一般在程序启动后的一段时间内就是固定的了。但是假如项目中存在对类的动态编译，而且是同样一个类的多次编译，那么需要观察方法区的大小是否能满足存储。

虽然它存储的信息相对比较稳定，也不会频繁地被垃圾收集器（GC）扫描，但是仍然会被JVM的垃圾收集器（GC）管理。

5）本地方法区

为JVM运行Native方法准备的空间，和前面介绍的栈的作用类似，由于很多Native方法都是用C语言实现的，所以它通常又叫C栈。

使用这个区域的代码有：

（1）常规的Native方法。

（2）JIT编译技术把一些Java方法重新编译为Native代码。

6）运行时常量池

代表运行时class文件中的常量表。它包括几种常量：编译期的数字常量，方法或者域的引用。

它是方法区的一部分。

 3.JVM内存分配策略

JVM内存分配主要基于两种，分别是堆和栈。

栈的分配是和线程绑在一起的，栈的基本数据单元是栈帧，对应每个执行方法，用来保存参数，局部变量，中间计算过程和其他数据。

栈中主要存放一些基本类型的变量数据（int，short，long，byte，float，double，boolean，char）和对象句柄（引用）。存取速度比较快，仅次于寄存器，栈数据可以共享，内存空间在线程结束时自动回收。缺点是，存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的，这也导致缺乏了其灵活性。

这些变量的在运行时需要存储空间，同时在执行指令时JVM也需要知道栈的大小，这些数据都会在Javac编译这段代码时就已经确定。

每一个Java应用都唯一对应一个JVM实例，每一个实例唯一对应一个堆。应用程序在运行中所创建的所有类实例或数组都放在这个堆中，并由应用程序所有的线程共享。

堆内存是自动初始化的，所有对象的存储空间都是在堆中分配的，但是这个对象的引用却是在栈中分配的。也就是说在建立一个对象时两个地方都分配内存，在堆中分配的内存实际建立这个对象，而在栈中分配的内存只是一个指向这个堆对象的引用而已。

堆是由垃圾收集器（GC）来负责的，优点是可以动态分配内存大小，生存期也不用事先告诉编译器，因为它是在运行时动态分配内存的，GC会自动收走不再使用的数据。缺点是存取速度较慢。

4.JVM内存回收策略

垃圾收集器（GC）的任务有：正确检测出垃圾对象，释放垃圾对象占用的内存空间。

1）如何检测垃圾

只要是某个对象不再被其它活动对象引用，那么这个对象就是垃圾对象。这里的活动对象指的是能够被一个根对象集合到达的对象。

根对象集合的内容有：

（1）方法中局部变量区中对象的引用

（2）Java操作栈中的对象引用

（3）常量池中的对象引用

（4）本地方法中持有的对象引用

（5）类的Class对象

5.垃圾收集算法

略

6.参考资料

《深入分析 Java Web 技术内幕》