Java 内存分配、对象生命周期与垃圾回收

   综合整理自以下文章，在此对其作者表示感谢

   1、http://www.uml.org.cn/j2ee/201301183.asp

   2、http://www.cnblogs.com/gengyulong/archive/2012/03/20/2407455.html

   3、http://blog.csdn.net/sodino/article/details/38387049

   4、http://www.blogjava.net/mlzry0612/articles/349967.html

一、Java的内存分配

    虚拟器规范中的7个内存区域分别是三个线程私有的和四个线程共享的内存区，线程私有的内存区域与线程具有相同的生命周期，它们分别是： 指令计数器、 线程栈和本地线程栈，四个共享区是所有线程共享的，在JVM启动时就会分配，分别是：方法区、 常量池、直接内存区和堆（即我们通常所说的JVM的内存分为堆和栈中的堆，后者就是前面的线程栈）。接下来我们逐一了解这几个内存区域。

    1、指令计数器。我们都知道java的多线程是通过JVM切换时间片运行的，因此每个线程在某个时刻可能在运行也可能被挂起，那么当线程挂起之后，JVM再次调度它时怎么知道该线程要运行那条字节码指令呢？这就需要一个与该线程相关的内存区域记录该线程下一条指令，而指令计数器就是实现这种功能的内存区域。有多少线程在编译时是不确定的，因此该区域也没有办法在编译时分配，只能在创建线程时分配，所以说该区域是线程私有的，该区域只是指令的计数，占用的空间非常少，所以虚拟机规范中没有为该区域规定OutofMemoryError。

    2、线程栈。先让我看以下一段代码：

<span style="font-size:14px;">class Test{
    public static void main(String[] args) {
       Thread th = new Thread();
       th.start();
    }
  }</span>
           

    在运行以上代码时，JVM将分配一块栈空间给线程th，用于保存方法内的局部变量，方法的入口和出口等，这些局部变量包括基本类型和对象引用类型。

    每个栈空间的默认大小为0.5M，在1.7里调整为1M，每调用一次方法就会压入一个栈帧，如果压入的栈帧深度过大，即方法调用层次过深,就会抛出StackOverFlow,，SOF最常见的场景就是递归中，当递归没办法退出时，就会抛此异常。

    3、本地线程栈。顾名思义，该区域主要是给调用本地方法的线程分配的，该区域和线程栈的最大区别就是，在该线程的申请的内存不受GC管理，需要调用者自己管理，JDK中的Math类的大部分方法都是本地方法，一个值得注意的问题是,在执行本地方法时，并不是运行字节码，所以之前所说的指令计数器是没法记录下一条字节码指令的，当执行本地方法时，指令计数器置为undefined。

接下来是四个线程共享区。

 1、方法区。这块区域是用来存放JVM装载的class的类信息，包括：类的方法、静态变量、类型信息(接口/父类)，我们使用反射技术时，所需的信息就是从这里获取的。

    2、常量池。

    这些常量在编译时就知道占用空间的大小，但并不是说明该区域编译就固定了，运行期也可以修改常量池的大小，典型的场景是在使用String时，你可以调用String的 intern()，JVM会判断当前所创建的String对象是否在常量池中，若有，则从常量区取，否则把该字符放入常量池并返回。

    3、直接内存区。直接内存区并不是JVM可管理的内存区。在JDK1.4中提供的NIO中，实现了高效的R/W操作，这种高效的R/W操作就是通过管道机制实现的，而管道机制实际上使用了本地内存，这样就避免了从本地源文件复制JVM内存，再从JVM复制到目标文件的过程，直接从源文件复制到目标文件，JVM通过DirectByteBuffer操作直接内存。

    4、堆。我们通常所说的GC主要就是在这块区域中进行的，所有的java对象都在这里分配，这也是JVM中最大的内存区域，被所有线程共享，成千上万的对象在这里创建，也在这里被销毁。

    二、Java的内存回收

 第一，局部变量占用内存的回收，所谓局部变量，就是指在方法内创建的变量，其中变量又分为基本类型和引用类型。

 第二，非局部变量的内存回收,其内存是在heap中分配，其占用的空间不会随着方法的结束而自动释放需要一定的机制去删除，在java中这部分内存是由GC自动回收的，但是要进行内存回收必须解决两问题：那些对象需要回收、怎么回收。

 判定那些对象需要回收，我们熟知的有以下方法：

 一，引用计数法，这应是绝大数的的java 程序员听说的方法了，也是很多书上甚至很多老师讲的方法，该方法是这样描述的，为每个对象维护一个引用计数器，当有引用时就加1，引用解除时就减1，那些长时间引用为0的对象就判定为回收对象，理论上这样的判定是最准确的，判定的效率也高，但是却有一个致命的缺陷，那就是如果有多个对象相互引用，那么这些对象就永远无法被判定为需要回收。

 二，根搜索算法，这是当前的大部分虚拟机采用的判定策略，GC线程运行时，它会以一些特定的引用作为起点称为GCRoot，从这些起点开始搜索，把所用与这些起点相关联的对象标记，形成几条链路，扫描完时，那些没有与任何链路想连接的对象就会判定为可回收对象。具体那些引用作为起点呢，一种是类级别的引用：静态变量引用、常量引用，另一种是方法内的引用。

 接下来我们就该讨论GC 是怎么回收的了，目前版本的Hotspot虚拟机采用分代回收算法，它把heap分为新生代和老年代两块区域，默认的配置中老年代占90% 新生代占10%。

 新对象区域：又可细分为三个小区域：eden区域、From区域与To区域。伊甸园区域用来保存新创建的对象，（但是那些占用空间较大的对象，就会直接在老年代分配，比如我们在进行文件操作时设置的缓冲区，如byte[] buffer = new byte[1024*1024]，这样的对象如果在新生代分配将会导致新生代的内存不足而频繁的gc）当eden区域中的对象满了之后，JVM系统将要做到可达性测试，主要任务是检测有哪些对象由根集合出发是不可达的，这些对象就可以被JVM回收（但也并不是立即清除，如果这些对象重写了finalize方法，那么GC会把这些对象先复制到一个队列里，以一个低级别的线程去触发finalize方法，然后回收该对象，而那些没有覆写finalize方法的对象，将会直接被回收。），并且将所有的活动对象从eden区域拷贝到To区域，此时一些对象将发生状态交换，有的对象就从To区域被转移到From区域，此时From区域就有了对象。在复制存活对象到另一个survivor空间的过程中可能会出现空间不足的情况，在这种情况下GC回直接把这些存活对象复制到老年代中，如果老年代的空间也不够时，将会触发一次Full GC，Full gc会回收老年代中那些没有和任何GC Root相连的对象，如果Full GC后发现内存还是不足，将会出现OutofMemoryError。

 老对象区域：在老对象区域中的对象仍然会有一个较长的生命周期，大多数的JVM系统垃圾对象，都是源于"短命"对象，经过一段时间后，被转入老对象区域的对象，就变成了垃圾对象。此时，它们都被打上相应的标记，JVM系统将会自动回收这些垃圾对象，建议不要频繁地强制系统作垃圾回收，这是因为JVM会利用有限的系统资源，优先完成垃圾回收工作，导致应用无法快速地响应来自用户端的请求，这样会影响系统的整体性能。

三、Java对象的生命周期

在Java中，对象的生命周期包括以下几个阶段：

1、创建阶段(Created)

在创建阶段系统通过下面的几个步骤来完成对象的创建过程

（1）为对象分配存储空间

（2）开始构造对象

（3）从超类到子类对static成员进行初始化

（4）超类成员变量按顺序初始化，递归调用超类的构造方法

（5）子类成员变量按顺序初始化，子类构造方法调用

         在创建对象时应注意几个关键应用规则： 

  <1> 避免在循环体中创建对象，即使该对象占用内存空间不大。 

  <2> 尽量及时使对象符合垃圾回收标准。比如 myObject = null。 

  <3> 不要采用过深的继承层次。 

  <4> 访问本地变量优于访问类中的变量。

2、应用阶段(In Use)

<1> 系统至少维护着对象的一个强引用(Strong Reference); 

<2> 所有对该对象的引用全部是强引用(除非我们显示地适用了：软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)或虚引用(Phantom Reference)). 

 强引用(Strong Reference)：是指JVM内存管理器从根引用集合出发遍历堆中所有到达对象的路径。当到达某对象的任意路径都不含有引用对象时，这个对象的引用就被称为强引用。 

        软引用(Soft Reference)：软引用的主要特点是有较强的引用功能。只有当内存不够的时候，才回收这类内存，因此内存足够时它们通常不被回收。另外这些引用对象还能保证在Java抛出OutOfMemory异常之前，被设置为null。它可以用于实现一些常用资源的缓存，实现Cache功能，保证最大限度地使用内存你而不引起OutOfMemory。

 软引用技术的引进使Java应用可以更好地管理内存，稳定系统，防止系统内存溢出，避免系统崩溃。因此在处理一些占用内存较大且生命周期较长，但使用并不繁地对象时应尽量应用该技术。提高系统稳定性。

 弱引用(Weak Reference)：弱应用对象与软引用对象的最大不同就在于：GC在进行垃圾回收时，需要通过算法检查是否回收Soft应用对象，而对于Weak引用，GC总是进行回收。Weak引用对象更容易、更快地被GC回收。Weak引用对象常常用于Map结构中。

 虚引用(Phantom Reference): 虚引用的用途较少，主要用于辅助finalize函数的使用。 

       虚引用(Phantom Reference)对象指一些执行完了finalize函数，并为不可达对象，但是还没有被GC回收的对象。这种对象可以辅助finalize进行一些后期的回收工作，我们通过覆盖了Refernce的clear()方法，增强资源回收机制的灵活性。 

3、不可见阶段(Invisible) 

当一个对象处于不可见阶段时，说明程序本身不再持有该对象的任何强引用，虽然该这些引用仍然是存在着的。

4、不可达阶段(Unreachable)

       对象处于不可达阶段是指该对象不再被任何强引用所持有。

       与“不可见阶段”相比，“不可见阶段”是指程序不再持有该对象的任何强引用，这种情况下，该对象仍可能被JVM等系统下的某些已装载的静态变量或线程或JNI等强引用持有着，这些特殊的强引用被称为”GC root”。存在着这些GC root会导致对象的内存泄露情况，无法被回收。

         5、收集阶段(Collected)

当垃圾回收器发现该对象已经处于“不可达阶段”并且垃圾回收器已经对该对象的内存空间重新分配做好准备时，则对象进入了“收集阶段”。如果该对象已经重写了finalize()方法，则会去执行该方法的终端操作。谨慎使用finalize()方法

      （1）在分配该对象时，JVM需要在垃圾回收器上注册该对象，以便在回收时能够执行该重载方法；在该方法的执行时需要消耗CPU时间且在执行完该方法后才会重新执行回收操作，即至少需要垃圾回收器对该对象执行两次GC。

      （2）在finalize()方法中，如果有其它的强引用再次持有该对象，则会导致对象的状态由“收集阶段”又重新变为“应用阶段”。这个已经破坏了Java对象的生命周期进程，且“复活”的对象不利用后续的代码管理。

        6、终结阶段(Finalized)

当对象执行完finalize()方法后仍然处于不可达状态时，则该对象进入终结阶段。在该阶段是等待垃圾回收器对该对象空间进行回收。

        7、对象空间重分配阶段(De-allocated)

垃圾回收器对该对象的所占用的内存空间进行回收或者再分配了，则该对象彻底消失了，称之为“对象空间重新分配阶段”。

四、垃圾收集器和引用交互

垃圾收集器每次运行时都可以随意地释放不再是强可及的对象占用的内存。

       1、 如果垃圾收集器发现了软可及对象，就会出现下列情况：

     SoftReference 对象的 referent 域被设置为 null，从而使该对象不再引用 heap 对象。

     SoftReference 引用过的 heap 对象被声明为 finalizable。

     当 heap 对象的 finalize() 方法被运行而且该对象占用的内存被释放，SoftReference 对象就被添加它的ReferenceQueue（如果后者存在的话）。

     2、 如果垃圾收集器发现了弱可及对象，就会出现下列情况：

     WeakReference 对象的 referent 域被设置为 null，从而使该对象不再引用 heap 对象。

     WeakReference 引用过的 heap 对象被声明为 finalizable。

     当 heap 对象的 finalize() 方法被运行而且该对象占用的内存被释放时，WeakReference 对象就被添加到它的 ReferenceQueue（如果后者存在的话）。

     3、 如果垃圾收集器发现了虚可及对象，就会出现下列情况：

     PhantomReference 引用过的 heap 对象被声明为 finalizable。

     与软引用和弱引用有所不同，PhantomReference 在堆对象被释放之前就被添加到它的 ReferenceQueue。（请记住，所有的 PhantomReference 对象都必须用经过关联的 ReferenceQueue 来创建。）这使您能够在堆对象被回收之前采取行动。

     每个引用类都有一个 get() 方法，而 ReferenceQueue 类有一个 poll() 方法。get() 方法返回对被引用对象的引用。在 PhantomReference 上调用 get() 总是会返回 null。这是因为 PhantomReference 只用于跟踪收集。poll() 方法返回已被添加到队列中的引用对象，如果队列中没有任何对象，它就返回 null。当 WeakReference 或 SoftReference 类的 get() 方法返回 null 时，就有一个对象被声明为 finalizable，而且可能（不过不一定）被收集。只有当 heap 对象完全结束而且其内存被回收后，WeakReference 或 SoftReference 才会被放到与其关联的 ReferenceQueue 上。