一、深入理解JVM的内存结构及GC机制

1、JVM把内存分成如下区域：

（1）方法区（Method Area）

（2）堆区（Heap）

（3）虚拟机栈（VM Stack）

（4）本地方法栈（Native Method Stack）

（5）程序计数器（Program Counter Register）

其中的方法区和堆区，线程共享。

1.1 方法区（Method Area）

方法区存放了要加载的类的信息（如雷鸣、修饰符等）、静态变量、构造函数、final定义的常量、类中的字段和方法等信息。方法区是全局共享的、在一定条件下一会被GC。当方法区超过他允许的大小时，就会抛出OutOfMemory:PermGen Space异常。

在Hotspot虚拟机中，这块区域对应持久代（permanment Generation），一般来说，方法区上执行GC的情况很少，这是方法区被称为持久代的原因之一，但这不代表方法区上完全没有GC，其上的GC主要针对常量池的回收和已加载类的卸载。在方法区上GC，条件相当苛刻而且困难。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法去的一部分，用于存储编译器生成的常量和引用。一般来说，常量的分配在编译时就能确定，但也不完全是，也可以存储在运行时期产生的常量。比如String类的intern（）方法，作用是String类维护了一个常量池，如果调用的字符“hello”已经在常量池中，则直接返回常量池中的地址，否则新建一个常量加入池中，并返回地址。

1.2 堆区（Heap）

堆区是GC最频繁的，也是理解GC机制最重要的区域。堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区主要用于存放对象实例和数组，所有new出来的对象都存储在该区域。

1.3 虚拟机栈（VM Stack）

虚拟机栈占用的是操作系统内存，每个线程对应一个虚拟机栈，他是线程私有的，生命周期和线程一样，每个方法被执行时产生一个栈帧（Stack Frame），栈帧用于存储局部变量表、动态链接、操作数和方法出口等信息，当方法被调用时，栈帧入栈，当方法调用结束时，栈帧出栈。

局部变量表中存储着方法相关的局部变量，包括各种基本数据类型及对象的引用地址等，因此他有个特点：内存空间可以在编译期间就确定，运行时不再改变。

虚拟机栈定义了两种异常类型：StackOverFlowError(栈溢出)和OutOfMemoryError（内存溢出）。如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StackOverFlowError；不过大多数虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足时，抛出OutOfMemoryError。

1.4 本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈用于支持native方法的执行，存储了每个native方法的执行状态。本地方法栈和虚拟机栈他们的运行机制一致，唯一的区别是，虚拟机栈执行Java方法，本地方法栈执行native方法。在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将虚拟机栈和本地方法栈一起使用。

1.5 程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一个很小的内存区域，不在RAM上，而是直接划分在CPU上，程序猿无法操作它，它的作用是：JVM在解释字节码（.class）文件时，存储当前线程执行的字节码行号，只是一种概念模型，各种JVM所采用的方式不一样。字节码解释器工作时，就是通过改变程序计数器的值来取下一条要执行的指令，分支、循环、跳转等基础功能都是依赖此技术区完成的。

每个程序计数器只能记录一个线程的行号，因此它是线程私有的。

如果程序当前正在执行的是一个java方法，则程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址，如果执行的是native方法，则计数器的值为空，此内存区是唯一不会抛出OutOfMemoryError的区域。

2、GC机制

在上面介绍的五个内存区域中，有3个是不需要进行垃圾回收的：本地方法栈、程序计数器、虚拟机栈。因为他们的生命周期是和线程同步的，随着线程的销毁，他们占用的内存会自动释放。所以，只有方法区和堆区需要进行垃圾回收，回收的对象就是那些不存在任何引用的对象。

2.1查找算法

经典的引用计数算法，每个对象添加到引用计数器，每被引用一次，计数器+1，失去引用，计数器-1，当计数器在一段时间内为0时，即认为该对象可以被回收了。但是这个算法有个明显的缺陷：当两个对象相互引用，但是二者都已经没有作用时，理应把它们都回收，但是由于它们相互引用，不符合垃圾回收的条件，所以就导致无法处理掉这一块内存区域。因此，Sun的JVM并没有采用这种算法，而是采用一个叫——根搜索算法，如图：

基本思想是：从一个叫GC Roots的根节点出发，向下搜索，如果一个对象不能达到GC Roots的时候，说明该对象不再被引用，可以被回收。如上图中的Object5、Object6、Object7，虽然它们三个依然相互引用，但是它们其实已经没有作用了，这样就解决了引用计数算法的缺陷。

补充概念，在JDK1.2之后引入了四个概念：强引用、软引用、弱引用、虚引用。

强引用：new出来的对象都是强引用，GC无论如何都不会回收，即使抛出OOM异常。

软引用：只有当JVM内存不足时才会被回收。

弱引用：只要GC,就会立马回收，不管内存是否充足。

虚引用：可以忽略不计，JVM完全不会在乎虚引用，你可以理解为它是来凑数的，凑够”四大天王”。它唯一的作用就是做一些跟踪记录，辅助finalize函数的使用。

最后总结，什么样的类需要被回收：

①.该类的所有实例都已经被回收；

②.加载该类的ClassLoad已经被回收；

③.该类对应的反射类java.lang.Class对象没有被任何地方引用。

2.2 内存分区

内存主要被分为三块：新生代（Youn Generation）、旧生代（Old Generation）、持久代（Permanent Generation）。三代的特点不同，导致他们使用的GC算法不同，新生代适合生命周期短，快速创建和销毁的对象，旧生代适合生命周期较长的对象，持久代在Sun Hotspot虚拟机中指方法区（有些JVM根本没有持久代这一说法）。

新生代（Youn Generation）：大致分为Eden区和Survivor区，Survivor区又分为大小相同的两部分：FromSpace和ToSpace。新建的对象都是从新生代分配内存，Eden区不足的时候，会把存活的对象转移到Survivor区。当新生代进行垃圾回收时会出发Minor GC（也称作Youn GC）。

旧生代（Old Generation）：旧生代用于存放新生代多次回收依然存活的对象，如缓存对象。当旧生代满了的时候就需要对旧生代进行回收，旧生代的垃圾回收称作Major GC（也称作Full GC）。

持久代（Permanent Generation）：在Sun 的JVM中就是方法区的意思，尽管大多数JVM没有这一代。

2.3 GC算法

常见的GC算法：复制、标记-清除、标记-压缩、分代收集算法

复制：复制算法采用的方式为从根集合进行扫描，将存活的对象移动到一块空闲的区域，如图所示：

当存活的对象较少时，复制算法会比较高效（新生代的Eden区就是采用这种算法），其带来的成本是需要一块额外的空闲空间和对象的移动。

标记-清除：该算法采用的方式是从跟集合开始扫描，对存活的对象进行标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象，并进行清除。标记和清除的过程如下：

上图中蓝色部分是有被引用的对象，褐色部分是没有被引用的对象。在Marking阶段，需要进行全盘扫描，这个过程是比较耗时的。

清除阶段清理的是没有被引用的对象，存活的对象被保留。

标记-清除动作不需要移动对象，且仅对不存活的对象进行清理，在空间中存活对象较多的时候，效率较高，但由于只是清除，没有重新整理，因此会造成内存碎片。

标记-压缩：该算法与标记-清除算法类似，都是先对存活的对象进行标记，但是在清除后会把活的对象向左端空闲空间移动，然后再更新其引用对象的指针，如下图所示：

由于进行了移动规整动作，该算法避免了标记-清除的碎片问题，但由于需要进行移动，因此成本也增加了。（该算法适用于旧生代）

分代收集算法：当前商业虚拟机都采用这种算法。首先根据对象存活周期的不同将内存分为几块即新生代、老年代，然后根据不同年代的特点，采用不同的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都有大量对象死去，只有少量存活，所以选择了复制算法。而老年代中因为对象存活率比较高，所以采用标记-整理算法(或者标记-清除算法)。

Minor GC

　　一般情况下，当新对象生成，并且在Eden申请空间失败时，就会触发Minor GC，对Eden区域进行GC，清除非存活对象，并且把尚且存活的对象移动到Survivor区。然后整理Survivor的两个区。这种方式的GC是对年轻代的Eden区进行，不会影响到年老代。因为大部分对象都是从Eden区开始的，同时Eden区不会分配的很大，所以Eden区的GC会频繁进行。因而，一般在这里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能尽快空闲出来。

Full GC

　　对整个堆进行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因为需要对整个堆进行回收，所以比Minor GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC的次数。在对JVM调优的过程中，很大一部分工作就是对于FullGC的调节。有如下原因可能导致Full GC：

　　1.年老代（Tenured）被写满；

　　2.持久代（Perm）被写满；

　　3.System.gc()被显示调用；

4.上一次GC之后Heap的各域分配策略动态变化。

Java常见的内存泄漏

数据库连接，网络连接，IO连接等没有显示调用close关闭，会导致内存泄露；
监听器的使用，在释放对象的同时没有相应删除监听器的时候也可能导致内存泄露。

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