背景介绍

• Java优势之一就是其具有垃圾回收机制。在大部分情况下，JVM的GC(垃圾回收器)能够帮助我们回那些不可到达的对象(就是未被引用的对象)。
• 当然，在一些情况下，我们仍然需要自己去释放内存(就是把对象引用置null，把容器、数组清空)，否则就会引起内存泄漏，内存泄漏严重时将容易引发OutOfMemoryError，详情见内存泄漏。
• 此外，由于GC会停止所有的线程，包括UI线程，所以频繁的GC必然会导致画面卡顿(Android中每16ms为一帧)，因此还应避免GC的频繁发生。一个导致GC频繁发生的原因就是内存抖动，点击链接看详情。
  
  GC时线程被停止示意图
• 所以，理解Java的内存机制，有助于帮助我们在写代码的过程中避免内存泄漏。

走进内存模型

Java内存层级

JVM运行时内存划分

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JVM运行时内存划分-详细

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程序计数器

程序计数器是线程私有的内存区域，这个区域是Java虚拟机中唯一一个没有限制OutOfMemoryError的内存区域。之所以需要它是因为Java的多线程机制是通过轮流切换分配处理器执行时间来实现的，所以会涉及到线程的暂停和重启，而在一个线程中如果正在执行Java方法的话，这个计数器就回去记录当前正在执行的虚拟机字节码，一旦被暂停，恢复只需要从程序计数器记录的为止继续执行就可以。

但是，如果线程中执行的是一个Native方法，那么程序计数器是不会去记录的，所以此时的程序计数器为空。

虚拟机栈Stack

Java虚拟机栈也是线程私有的。一条线程启动就会为它建立一个虚拟机栈。

在线程中每有一个Java方法被调用就会创建一个 “栈帧” 。每个 “栈帧” 会保存执行该方法所需的局部变量表（一般Java程序员喜欢用这个部分来代表栈）、操作数栈、动态链接以及方法出口等信息。

如果一个线程中有过多的 “栈帧” 要入到虚拟机栈中，即短时间内调用了过多的方法，就会造成 -- 栈益处 -- ，即 StackOverflowError 错误。

在这个内存区域中，如果虚拟机需要扩展内存，但没有申请到足够的内存，就会抛出 OutOfMemoryError 错误。

本地方法栈

和虚拟机栈有些类似，但它是为Native方法提供服务的。

Java堆Heap

Java的堆内存是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。它是所有线程所共享的，用于存放对象实例和数组，Java虚拟机的GC主要就发生在这个地方。因此这块区域也叫做"GC堆"。

Java堆的内存可以按照垃圾回收算法【分代回收】分为【新生代区】和【老年区】，进一步的，【新生代区】可以分为【Eden区】、【From Survivor区】和【To Survivor区】。

从内存角度来说，Java堆内存又被划分为线程共享的内存区域和每个线程私有的内存区域。

在Java堆区域中，如果没有内存分配给要创建的实例，并且堆也不能够再扩展，就会抛出OutOfMemoryError错误。

回收算法

在Java8之后，Heap Segment真正意义上的是由Young Generiation和Old Generiation组成的。对象在其中是标记复制算法来判定一个对象是否应该被清理掉。
Heap Segment中发生的GC称为Major GC，只会影响Heap Segment区。

内存图

Young Generiation中的GC变化 — 复制算法

这个区域发生的GC称为Minor GC。

• 当对象被创建后，首先会被加入eden区。当eden区满了之后，就会触发一次GC，存活下来的对象会被复制到survivor区。
• 当不为空的Survivor区满了，同样会触发一次GC。
• 当短时间内有大量对象创建和释放同样会造成内存抖动，会触发CG。
• 如图所示，survivor有两个区域，其中一个总是保持为空。
• 现假设两个Survivor区分别为S0，S1，并且首次GC时，eden区中存活的对象被复制到S0中。当再次发生GC时，S0和eden中仍然存活的对象就会被复制到空的S1中，此时S0为空；再次发生GC时，S1和eden中存活的对象将被复制到S0中，此时S1为空；再次发生GC...就是这样进行的。当一个对象被来回复制转移的次数达到阀值(默认为15次，可以通过使用-XX:MaxTenuringThreshold该命令来调整阀值)时，这个对象将被复制到Old Generiation区中，此时该对象将会变的相对安全，因为Old Segment区的GC频率相对较低。

Old Segment中的GC变化

这个区域发送的GC成为Full GC。

• 该区域满了之后会触发一次GC，在该次GC中，一些年龄较大的对象会被清理掉。
• 若多次触发GC后，该区域仍然处于满的状态，则会抛出OutOfMemoryError。
• 以两种情况下，新建对象会被直接复制到该区域中:
  • 当新建对象所需要的内存大于1/2的单个survivor区内存时。比如一些很长的对象；
  • 当新建对象被该区中的对象引用时，或者引用了该区域中的对象。

方法区

Java的方法区和Java的堆内存一样是被线程所共有的。它主要存放虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译产生的代码等。

一些地方会将方法区合并到Java堆中一起去说。把它作为“永久代”。这在Hot-Spot虚拟机而言成立，但是一般来说是不成立的。

Java的方法区如果内存不够分配的话，也是会抛出OutOfMemoryError错误的。也就是如果加载过多类到方法区的话，可能会造成方法区内存益处。

对象的可到达性

在GC检查对象的是否可以回收时，是根据对象是否可到达引用练顶端的GC Roots对象来判断的。GC Roots对象一般是虚拟机栈中变量表中引用的对象、类静态属性引用的对象、常量对象、JNI传到底层的对象。就是说，一个对象如果溯源不到这几种类型的对象的话，就认为它是无法到达的，那么它将会在GC时被回收。

新的引用类型

在JDK 1.2之后，Java扩充了4种引用类型定义：

强应用类型

即我们平时通过new关键字创建出来的的对象的引用，只要强引用还存在，那么这些对象就一定不回被回收，即使时抛出OutOfMemoryError。什么时候强引用会不存在呢？当一个方法执行完，栈帧中的变量表将会被清理，在该方法中创建使用的临时强引用就会被清理掉，之后，原本它指向的对象就被变的不可到达。

软引用类型

用来描述一些有用但不是必须的对象，即通过SoftReference创建的对象，它们将会在原本确定要发生内存溢出前的一次GC中被回收，如果回收完内存还是不够，Java堆就会抛出OutOfMemoryError错误。就是说，在触发内存溢出发生前，这些对象是和强引用一样，只要引用还在，就不会被回收。

弱引用类型

用来描述一些不必须的对象，即通过WeakReference创建的对象。弱引用对象的生命周期只有一次GC。

虚引用类型

一个对象的存在与否完全不受虚引用的影响，它唯一的用处就是可以用来监测一个对象是否被回收。

方法区中的-运行时常量池

运行时常量池主要存放类中编译时期生成的常量，当然也可以动态的往里面添加。

比如：

"abc".intern();

这个方法首先会检查运行时常量池中是否有这个字符串，有的话取出来用，没有的话生成一个并存到常量池中。

再比如，运行过程中生成通过static修饰的String时，也会加入到常量池中。对于String而言，常量 + 常量 生成的也是常量，但是常量 + 变量 生成的就是变量了。

关于Dalvik虚拟机

Dalvik虚拟机是Google按照JVM虚拟机规范定制的虚拟机，它更符合移动设备的环境要求。与标准虚拟机不同：

• Dalvik编译生成的是.dex文件，这种格式的文件体积更小。而JVM规范的是.class文件。
• Dalvik虚拟机是基于寄存器的，而JVM规范是基于栈的，所以速度方面会有优势。比如上面的说的标准Java虚拟机中，它的虚拟机栈就为线程的运行提供了服务。而Dalvik虚拟机中，使用寄存器去储存运行指令，同时寄存器也提供了程序计数器。寄存器是处理器的一部分哦！
• Dalvik虚拟机允许在内存中创建都个实例，以隔离不同的应用程序。这样，当一个应用程序在自己的进程中崩溃后，不会影响其它进程的运行。

关于ART虚拟机

ART虚拟机在Android 5.0以后是被默认开启的，此时Dalvik已经被Google放弃维护了。它与Dalvik虚拟机的不同：

• ART虚拟机在应用程序安装时就会把字节码通过dex2oat工具直接转成机器码储存，这个过程叫做AOT（Ahead-Of-Time）。而Dalvik是在每次启动应用程序时，通过传统的JIT（JUST IN TIME）模式将字节码转成机器码。显然，这样速度会慢不少。当然，ART虚拟机的占用内存也会更大些。
• ART虚拟机在进行GC时采用了并法的模式。
  • 在传统的GC模式下，当虚拟机触发一次GC，会先暂停所有线程，然后检查所有对象，将符合回收条件的对象进行标记，然后进行回收，最后再恢复线程，这样的话gc速度会快些，但是遇到内存抖动，就会卡顿了。同时，传统的GC算法导致了【内存碎片化】严重，在一次回收后，很多内存块都会出现不连续的情况，这样会导致寻址变得困难，从而拖慢程序运行速度。
  • 而ART虚拟的垃圾回收算法允许GC时对对象的标记和一些对象的清理工作并发进行。同时，ART引入了【移动垃圾回收器】技术，使得碎片化内存能够被对齐，从而能稍微节约一些内存空间。

总结

• Heap Segment被划分为两块：Young Generiation和Old Generiation。
• Young Genertiation中又被划分为Eden区和两个Survivor区，对象在其中采用标记复制算法来判定一个对象是应该清理还是移到Old Generiation中。该内存区域发生GC的频率较高。
• Old Generiation发生GC的频率相对较低。当有大对象被创建，或者和该区域有关的对象被创建时，它将会被直接移动到该区域中。

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