JVM内存分配与垃圾回收算法

# 1. JVM内存结构概览

Java虚拟机（JVM）的内存结构是Java程序运行的基础。理解JVM内存模型对于深入掌握Java应用的性能优化至关重要。在本文中，我们将从宏观角度对JVM的内存结构进行概览，为后续章节深入探讨内存分配、垃圾回收等关键机制打下坚实基础。

JVM内存结构主要包含以下几个关键部分：

- 堆（Heap）：这是JVM中用于存储对象实例的区域。堆是垃圾回收的主要区域，它通常分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），以及一个永久代（PermGen，Java 8之前）或者元空间（Metaspace，Java 8及以后）。堆是动态分配内存大小的，可以在运行时调整。
- 栈（Stacks）：每个线程运行时都会创建一个栈，用于存储局部变量和方法调用。每个栈由多个栈帧（Stack Frames）组成，每个栈帧对应一个方法的执行。栈是一种先进后出（FILO）的数据结构，线程运行结束后，栈也随之销毁。
- 方法区（Method Area）：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量以及即时编译后的代码等数据。在Java 8以后，方法区被元空间取代，元空间使用的是本地内存。

此外，还包括程序计数器（Program Counter Register）、本地方法栈（Native Method Stack）等区域。程序计数器记录线程执行的字节码指令地址，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

要成为一名专业的Java开发者，深入理解JVM内存结构是必不可少的一步。它不仅是JVM知识体系中最为关键的部分，也是进行性能调优和问题诊断的基石。在接下来的章节中，我们将逐步深入各个内存区域，探索内存分配机制和垃圾回收的原理及其优化方法。

# 2. JVM内存分配机制

### 2.1 内存区域的划分
#### 2.1.1 堆内存的结构与特性
Java堆是JVM所管理的内存中最大的一块，是所有线程共享的内存区域，几乎所有的对象实例和数组都在这里分配内存。堆内存的结构如下：

- 堆内存主要分为两个部分：新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
- 新生代又包括一个Eden区和两个Survivor区（通常称为S0和S1）。
- 堆内存的大小可以通过JVM参数`-Xms`和`-Xmx`来设置。

堆内存特性如下：

- 在堆内存中，垃圾收集器主要负责回收新生代和老年代的垃圾。
- 新生代用于存放刚刚创建的对象，当新生代内存不足时，触发Minor GC。
- 老年代存放生命周期较长的对象，当老年代内存不足时，触发Full GC。

// 示例代码：堆内存参数设置
public class HeapMemoryExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 打印当前堆内存的设置
        long initialHeapSize = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
        long maxHeapSize = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;
        System.out.println("Initial heap size: " + initialHeapSize + "M");
        System.out.println("Maximum heap size: " + maxHeapSize + "M");
    }
}

#### 2.1.2 非堆内存的作用与类型
非堆内存主要是方法区（Method Area），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。方法区具有以下特点：

- 方法区是线程共享的，它与堆内存不同的是，它不需要连续的内存空间，并且可以固定大小或者动态扩展。
- 方法区中有一部分被称作运行时常量池（Runtime Constant Pool），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

flowchart LR
    JVM[ JVM 启动 ]
    subgraph 方法区 [ 方法区 ]
        常量池[ 常量池 ]
        类信息[ 类信息 ]
        静态变量[ 静态变量 ]
    end
    JVM --> 方法区

### 2.2 对象的创建与分配策略
#### 2.2.1 对象创建的过程
Java中对象的创建过程可以分为以下几个步骤：

- 加载类：加载对象所对应的类信息。
- 分配内存：在堆内存中划分出一块内存空间用于存放新创建的对象。
- 初始化零值：将对象的字段初始化为零值（0、false、null等）。
- 设置对象头：设置对象的头信息，如哈希码、GC分代年龄等。
- 执行构造函数：调用对象的构造函数（`<init>`方法），完成对象的初始化。

// 示例代码：对象创建
public class ObjectCreationExample {
    private int id;
    private String name;

    public ObjectCreationExample(int id, String name) {
        this.id = id;
        this.name = name;
    }

    // Getter and Setter methods
}

#### 2.2.2 分配策略与内存担保机制
Java虚拟机提供了多种对象分配策略，其中最常见的有：

- 逃逸分析：分析对象的生命周期，对于不会逃逸出方法的对象，可以采用栈上分配，减少堆内存的使用。
- 分配担保：在发生Minor GC之前，JVM会检查老年代最大可用连续空间是否大于新生代所有对象的总大小。如果不是，则会进行担保分配，可能会直接触发一次Full GC。

### 2.3 线程私有内存区域
#### 2.3.1 程序计数器的作用
程序计数器是线程私有的，用于记录当前线程所执行的字节码行号指示器。在JVM的概念模型里，字节码解释器工作时会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。

- 程序计数器是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何`OutOfMemoryError`情况的区域。

#### 2.3.2 栈内存与本地方法栈的管理
栈内存（Stack）是线程私有的，用于存储局部变量表、操作栈、动态链接和方法出口等信息。本地方法栈则用于支持native方法的执行。

- 栈内存中每个栈帧都对应一个被调用的方法，包含了方法的局部变量表、操作数栈、动态链接和返回地址等信息。

// 示例代码：栈内存与方法调用
public class StackMemoryExample {
    public static void main(String[] args) {
        methodA();
    }

    private static void methodA() {
        int a = 10;
        methodB();
    }

    private static void methodB() {
        int b = 20;
    }
}

在上述代码中，`main`、`methodA`和`methodB`方法依次入栈，使用完毕后出栈。每个方法都有自己的局部变量和操作栈等信息。

# 3. JVM垃圾回收基础

## 3.1 垃圾回收的基本概念

垃圾回收（Garbage Collection，GC）是Java语言的重要特性，它能够自动管理内存的分配与回收，减轻了程序员手动管理内存的负担。要理解JVM的垃圾回收，首先要了解它的一些基础概念。

### 3.1.1 引用计数与可达性分析

**引用计数**是一种简单的垃圾回收算法，每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，当计数为0时对象就不能再被使用。然而，引用计数无法解决循环引用的问题。

**可达性分析**是现代JVM中普遍采用的算法。它从一组被称为GC Roots的对象开始向下搜索，如果一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的。不可达对象并非立即被回收，JVM会进行标记-清除、标记-整理或复制算法处理。

### 3.1.2 垃圾回收的触发条件

垃圾回收通常发生在JVM的特定条件下。主要包括：

- **内存分配失败**：当新对象的创建需要更多的内存，而老年代或整个堆中无法找到足够的空间时，垃圾回收会触发。
- **主动触发**：开发者可以通过System.gc()方法建议JVM执行垃圾回收，但JVM并不保证会立即执行。
- **定期触发**：根据不同的JVM实现和垃圾收集器配置，GC可能会定期触发。

## 3.2 垃圾收集器的分类与选择

垃圾收集器是垃圾回收算法的实现，不同的垃圾收集器适合不同的应用需求和硬件环境。

### 3.2.1 不同垃圾收集器的特点

- **Serial收集器**：最古老的收集器，单线程执行，适合单核处理器或小内存环境。
- **Parallel Scavenge收集