[@wangccsy][¥20]Java内存管理及回收算法

一、Java内存分配

    Java虚拟机在执行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。这些区域存储不同类型的数据，这些区域的内存分配和销毁的时间也不同，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（第2版）》的规定，Java虚拟机管理的内存包括五个运行时数据区域，如下图所示：

1、方法区

    方法区（Method Area）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（包括类的名称、方法信息、成员变量信息）、常量、静态变量、以及编译器编译后的代码等数据。当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemeryError异常。

    运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分,此区域会在两种情况下存储数据。

    （1）class文件的常量池中的数据

    class文件中的常量池用于存放编译期生成的各种字面值和常量，这部分内容在类被加载后存放到方法区的运行时常量池中。

    字面值：private String name="zhangSan"；private int age = 23+3；

    常量：private final String TAG = "MainActivity"；private final int age = 26;

    （2）运行期间生成的常量

    运行时常量池相对于class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。String str = "abc".intern();当运行时常量池中存在字符串"abc时，将该字符串的引用返回，赋值给str，否则创建字符串"abc"，加入运行时常量池中，并返回引用赋值给str。既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2、虚拟机栈

    虚拟机栈是线程私有的内存空间，每个线程都有一个线程栈，每个方法被执行时都会创建一个栈帧，方法执行完成，栈帧弹出，线程运行结束，线程栈被回收。虚拟机栈就是Java中的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，这个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、指向当前方法所属的类的运行时常量池的引用、方法返回地址等信息，每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入栈到出栈的过程。局部变量表用来存储方法中的局部变量，包括方法中声明的变量以及函数形参。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小，并且在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。指向运行时常量池的引用，因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向当前方法所属的类的运行时常量池。方法返回地址，当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

    在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

3、本地方法栈

    本地方法栈也是线程私有的内存空间，本地方法栈与Java栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是Java栈执行Java方法，本地方法栈执行的是本地方法，有的虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

4、堆

    Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，在虚拟机启动时创建，此内存区域的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。从内存分配的角度来看，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(TLAB)。Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上连续即可，在实现上，既可以实现固定大小的，也可以是扩展的。如果堆中没有足够的内存分配给实例，并且堆也无法再拓展时，将会抛出OutOfMemeryError异常。

    堆是运行时动态分配内存，对象在没有引用变量指向它的时候，才变成垃圾，但是仍然占着内存，在程序空闲的时候（没有工作线程运行，GC线程优先级最低）或者堆内存不足的时候（GC线程被触发），被垃圾回收器释放掉，由于要在运行时动态分配内存，存取速度较慢。

5、程序计数器

    程序计数器的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示。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Java虚拟机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，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）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，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为线程私有的内存。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空。

二、Java内存回收

    对于虚拟机栈空间，当方法调用结束后，基本类型变量、引用类型变量、形参占据的空间会被自动释放，但引用类型指向的对象在堆中，堆中的无用内存由垃圾回收线程回收，GC线程优先级最低，只有当没有工作线程存在时GC线程才会执行，或者堆空间不足时会自动触发GC线程工作。除了回收内存，GC线程还负责整理堆中的碎片。

1、四种引用类型

    Java中的对象引用分为四种，强引用类型、软引用类型、弱引用类型、虚引用类型。Java中提供这四种引用类型主要有两个目的：第一是可以让程序员通过代码的方式决定某些对象的生命周期；第二是有利于JVM进行垃圾回收。使用软引用和弱引用可以有效的避免oom。软引用关联的对象，只有软引用关联时，才可回收，如果有强引用同时关联，不会回收对象占用的内存，弱引用也如此。

（1）强引用

    强引用是使用最普遍的引用，类似Object obj = new Object()、String str = "hello"。如果一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。

（2）软引用（SoftReference）

    软引用是用来描述一些有用但并不是必需的对象，在Java中用java.lang.ref.SoftReference类来表示，如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它；如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用通常用于网页缓存、图片缓存，防止内存溢出，在内存充足的时候，缓存对象会一直存在，在内存不足的时候，缓存对象占用的内存会被垃圾收集器回收。使用示例：

public void testSoftReference() {

Map<String,SoftReference<Bitmap>> imagesCache = new HashMap<String,SoftReference<Bitmap>>();
Bitmap bitmap = getBitmap();
SoftReference<Bitmap> image1 = new SoftReference<Bitmap>(bitmap);
imagesCache.put("image1",image1);
SoftReference<Bitmap> result_SoftReference = imagesCache.get("image1");
Bitmap result_Bitmap = result_SoftReference .get();

}

import java.lang.ref.SoftReference;

public class Main {

public static void main(String[] args) {
    SoftReference<String> sr = new SoftReference<String>(new String("hello"));
    System.out.println(sr.get());
}

}

（3）弱引用（WeakReference）

    弱引用也是用来描述非必需对象的，但是它的强度比软引用更弱一些，在java中用java.lang.ref.WeakReference类来表示。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象，不过由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。弱引用可以用于：单例类持有一个activity引用时，会造成内存泄露，把activity声明为弱引用，在activity销毁后，垃圾收集器扫描到activity对象时，会回收activity对象的内存。使用示例：

public class SingleTon1 {

private static final SingleTon1 mInstance = null;  
private WeakReference<Context> mContext;
private SingleTon1(WeakReference<Context> context) {  
  mContext = context;
}  

public static SingleTon1 getInstance(WeakReference<Context> context) {  
    if (mInstance == null) {  
        synchronized (SingleTon1.class) {  
            if (mInstance == null) {  
                mInstance = new SingleTon1(context);  
            }  
        }  
    }  
    return mInstance;  
}  

}

public class MyActivity extents Activity {

public void onCreate (Bundle savedInstanceState){
   super.onCreate(savedInstanceState);
   setContentView(R.layout.main);
   SingleTon1 singleTon1 = SingleTon1.getInstance(new WeakReference<Context>(this));

}

}
import java.lang.ref.WeakReference;

public class Main {

public static void main(String[] args) {
 
    WeakReference<String> sr = new WeakReference<String>(new String("hello"));
     
    System.out.println(sr.get());
    System.gc();                //通知JVM的gc进行垃圾回收
    System.out.println(sr.get());
}

}

输出结果：

hello
null

    第二个输出结果是null，这说明只要JVM进行垃圾回收，被弱引用关联的对象必定会被回收掉。不过要注意的是，这里所说的被弱引用关联的对象是指只有弱引用与之关联，如果存在强引用同时与之关联，则进行垃圾回收时也不会回收该对象（软引用也是如此）。

（4）虚引用

    虚引用和软引用、弱引用不同，它并不影响对象的生命周期，也无法通过虚引用来取得一个对象实例，在java中用java.lang.ref.PhantomReference类表示。如果一个对象与虚引用关联，则跟没有引用与之关联一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。虚引用必须和引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如下：

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;

public class Main {

public static void main(String[] args) {
    ReferenceQueue<String> queue = new ReferenceQueue<String>();
    PhantomReference<String> pr = new PhantomReference<String>(new String("hello"), queue);
    System.out.println(pr.get());
}

}

2、垃圾回收算法

（1）标记-清除（Mark-Sweep）

   标记-清除（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掉所有被标记的对象。

标记-清除算法主要问题是：
1、效率问题，标记和清除过程的效率很低
2、空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致，当程序在以后的运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集

（2）复制（Copying）算法

    复制算法，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其中的一块进行内存回收，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，实现简单，运行高效。

复制算法的主要问题是：
1、复制算法将内存缩小为原来的一半，过于浪费
2、对象存活率较高时就要执行较多的复制操作，造成频繁GC,效率将会变低

（3）标记-整理（Mark-Compact）

    标记-整理算法的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，这样连续的内存空间就比较多了。

    如上图所示，所有存活的对象依次向左上角移动，（0,4）移动到（0,2），（1,0）移动到（0,3），依次类推，当所有的存活对象移动完成后，把剩余的所有空间清空，也就是清空（1,1）后的所有空间。

（4）分代回收（generational collection）

程序创建的大部分对象的生命周期都很短，只有一小部分对象的生命周期比较长，根据这样的规律，一般把Java堆分为Young Generation（新生代），Old Generation（老年代）和Permanent Generation（持久代），上面几种算法是通过分代回收混合在一起的，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的回收算法。

（1）新生代

    在新生代中，有一个叫Eden Space的空间，主要是用来存放新生的对象，还有两个Survivor Spaces（from、to）， 这两个区域大小相等，相当于copying算法中的两个区域，它们用来存放每次垃圾回收后存活下来的对象。在新生代中，垃圾回收一般用Copying的算法，速度快。

    当新建对象无法放入eden区时，将触发minor collection（minorGC 是清理新生代的GC线程，eden的清理，from、to的清理都由MinorGC完成），将eden区与from区的存活对象复制到to区，经过一次垃圾回收，eden区和from区清空，to区中则紧密的存放着存活对象；当eden区再次满时，minor collection将eden区和to区的存活对象复制到from区，eden区和to区被清空，from区存放eden区和to区的存活对象，就这样from区和to区来回切换。如果进行minor collection的时候，发现to区放不下，则将eden区和from区的部分对象放入成熟代。另一方面，即使to区没有满，JVM依然会移动世代足够久远的对象到成熟代。

（2）成熟代

    在成熟代中主要存放应用程序中生命周期长的内存对象，垃圾回收一般用mark-compact的算法，速度慢些，但减少内存要求。如果成熟代放满对象，无法从新生代移入新的对象，那么将触发major collection（major GC清理整合OldGen的内存空间）。

（3）永久代

   在永久代中，主要用来放JVM自己的反射对象，比如类对象、方法对象、成员变量对象、构造方法对象等。

    此外，垃圾回收一般是在程序空闲的时候（没有工作线程，GC线程优先级较低）或者堆内存不足的时候自动触发，也可以调用System.gc()主动的通知Java虚拟机进行垃圾回收，但这只是个建议，Java虚拟机不一定马上执行，启动时机的选择由JVM决定，并且取决于堆内存中Eden区是否可用

作者：喜六六
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/qq_29078329/article/details/78929457
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