JAVA内存管理【1.3 JVM的内存区域组成】

1.3  JVM的内存区域组成

java把内存分两种：一种是栈内存，另一种是堆内存
        1、在函数中定义的基本类型变量和对象的引用变量都在函数的栈内存中分配；
        2、堆内存用来存放由new创建的对象和数组以及对象的实例变量
        在函数（代码块）中定义一个变量时，java就在栈中为这个变量分配内存空间，当超过变量的作用域后，java会自动释放掉为该变量所分配的内存空间；在堆中分配的内存由java虚拟机的自动垃圾回收器来管理。

 堆和栈的优缺点
        堆的优势是可以动态分配内存大小，生存期也不必事先告诉编译器，因为它是在运行时动态分配内存的。缺点就是要在运行时动态分配内存，存取速度较慢；栈的优势是，存取速度比堆要快，仅次于直接位于CPU中的寄存器。另外，栈数据可以共享。但缺点是，存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性。

Java的内存管理实质上就是JVM的内存管理，JVM的内存分为两部分：stack和heap

Stack（栈）是指JVM的内存指令区。Java基本数据类型，Java指令代码，常量都存在stack中。

heap（堆）是JVM的内存数据区。heap专门用来保存对象的实例，实际上也只是保存对象实例的属性值，属性的类型和对象本身的类型标记等，并不保存对象的方法（方法是指令，保存在Stack中），对象实例在heap中分配好后需要在Stack中保存1个4字节的heap内存地址，用来定位该对象在heap中的位置，以便找到该对象实例。

Stack不存在内存管理问题，系统自动管理，heap中的对象由GC负责垃圾回收。

GC垃圾收集的规程：GC进程定期扫描heap，他根据stack中保存的4字节对象地址扫描heap，定位heap中的这些对象，进行一些优化，并且假设heap中的没有扫描到区域都是空闲的，统统refresh（实际上是把stack中丢失对象地址的无用对象清除了）。这就是垃圾回收的过程。

关于对象

1、方法本身是指令的操作码部分，保存在stack中；

2、方法内部变量作为指令的操作数部分，跟在指令的操作码之后，保存在stack中（实际上是简单类型保存在stack中，对象实例在stack中保存地址，在heap中保存值）

上述的指令操作数和指令操作码构成完整的Java指令。

3、对象实例包括属性值作为数据，保存在heap中。

关于静态方法和静态属性

当一个ClassLoaderload进入JVM后，方法指令保存在stack中，此时heap区没有数据，然后程序计数器开始执行指令，如果是一个静态方法，直接依次执行指令代码，当然此时指令代码无法访问heap数据区；如果是非静态方法，由于隐含参数没有值，会报错。因此在非静态方法执行之前，要先new对象，在heap中分配数据，并把stack中的地址指针交给非静态方法，这样程序计数器一次执行指令，而指令代码就能够访问到heap数据区。

由于上述的原因，静态属性是保存在stack中的（基本类型保存在stack，对象类型地址保存在stack中，值保存在heap中），并因此具有全局属性。

补充：字符串常量在stack分配，this在heap中分配，数组像对象一样既在stack中分配地址放数组名称，又在heap中分配数组实际大小的空间。

下面再说C／C++内存管理

在C＋＋中，内存分为5个区，他们分别是堆、栈、自由存储区、全局／静态存储区和常量存储区。

栈：编译器自动管理，里面的变量是局部变量、函数参数等（可以用alloca函数分配）

堆：由new分配的内存块，用delete释放

自由存储区：由malloc分配，用free释放和堆很相似

全局／静态存储区：全局变量和静态变量

常量存储区：常量

1.3.1 JVM中的对象生命周期

在JVM运行空间中，对象的整个生命周期大致可以分为7个阶段：创建阶段（Creation）、应用阶段（Using）、不可视阶段（Invisible）、不可到达阶段（Unreachable）、可收集阶段（Collected）、终结阶段（Finalized）与释放阶段（Free）。上面的这7个阶段，构成了 JVM中对象的完整的生命周期。下面分别介绍对象在处于这7个阶段时的不同情形。 
3.1.1创建阶段
    在对象创建阶段，系统要通过下面的步骤，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）递归调用其超类的构造方法。 
（4）进行对象实例初始化与变量初始化。（5）执行构造方法体。 
    上面的5个步骤中的第3步就是指递归地调用该类所扩展的所有父类的构造方法，一个Java类（除Object类外）至少有一个父类（Object），这个规则既是强制的，也是隐式的。你可能已经注意到在创建一个Java类的时候，并没有显式地声明扩展（extends）一个Object父类。实际上，在 Java程序设计中，任何一个Java类都直接或间接的是Object类的子类。例如下面的代码： 
public class A { 
     … 
} 
这个声明等同于下面的声明： 
public class A extends java.lang.Object { 
     … 
}  
    上面讲解了对象处于创建阶段时，系统所做的一些处理工作，其中有些过程与应用的性能密切相关，因此在创建对象时，我们应该遵循一些基本的规则，以提高应用的性能。 
    下面是在创建对象时的几个关键应用规则： 
    （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。 
    （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。 
    关于规则（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，需要提示一下，这种情况在我们的实际应用中经常遇到，而且我们很容易犯类似的错误，例如下面的代码： 
 … … 
for (int i = 0; i < 10000; ++i) { 
    Object obj = new Object(); 
    System.out.println("obj= "+ obj); 
} 
… …  
     上面代码的书写方式相信对你来说不会陌生，也许在以前的应用开发中你也这样做过，尤其是在枚举一个Vector对象中的对象元素的操作中经常会这样书写，但这却违反了上述规则（1），因为这样会浪费较大的内存空间，正确的方法如下所示： 
 … … 
Object obj = null; 
for (int i = 0; i < 10000; ++i) { 
    obj = new Object(); 
    System.out.println("obj= "+ obj); 
} 
… …  
    采用上面的第二种编写方式，仅在内存中保存一份对该对象的引用，而不像上面的第一种编写方式中代码会在内存中产生大量的对象应用，浪费大量的内存空间，而且增大了系统做垃圾回收的负荷。因此在循环体中声明创建对象的编写方式应该尽量避免。 
    另外，不要对一个对象进行多次初始化，这同样会带来较大的内存开销，降低系统性能，如： 
 public class A { 
    private Hashtable table = new Hashtable (); 
    public A() { 
        // 将Hashtable对象table初始化了两次 
        table = new Hashtable(); 
    } 
}  
 正确的方式为： 
 public class B { 
     private Hashtable table = new Hashtable (); 
     public B() { 
     } 
}  

不要小看这个差别，它却使应用软件的性能相差甚远，如图2-5所示。

图2-5  初始化对象多次所带来的性能差别

看来在程序设计中也应该遵从“勿以恶小而为之”的古训，否则我们开发出来的应用也是低效的应用，有时应用软件中的一个极小的失误，就会大幅度地降低整个系统的性能。因此，我们在日常的应用开发中，应该认真对待每一行代码，采用最优化的编写方式，不要忽视细节，不要忽视潜在的问题。

3.1.2应用阶段

当对象的创建阶段结束之后，该对象通常就会进入对象的应用阶段。这个阶段是对象得以表现自身能力的阶段。也就是说对象的应用阶段是对象整个生命周期中证明自身“存在价值”的时期。在对象的应用阶段，对象具备下列特征：

◆系统至少维护着对象的一个强引用（Strong Reference）；

◆所有对该对象的引用全部是强引用（除非我们显式地使用了：软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）或虚引用（Phantom Reference））。

上面提到了几种不同的引用类型。可能一些读者对这几种引用的概念还不是很清楚，下面分别对之加以介绍。在讲解这几种不同类型的引用之前，我们必须先了解一下Java中对象引用的结构层次。 Java对象引用的结构层次示意如图2-6所示。

图2-6  对象引用的结构层次示意

由图2-6我们不难看出，上面所提到的几种引用的层次关系，其中强引用处于顶端，而虚引用则处于底端。下面分别予以介绍。

1．强引用

强引用（Strong Reference）是指JVM内存管理器从根引用集合（Root Set）出发遍寻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，对这个对象的引用就被称为强引用。

2．软引用

软引用（Soft Reference）的主要特点是具有较强的引用功能。只有当内存不够的时候，才回收这类内存，因此在内存足够的时候，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的功能，保证最大限度的使用内存而不引起OutOfMemory。再者，软可到达对象的所有软引用都要保证在虚拟机抛出OutOfMemoryError之前已经被清除。否则，清除软引用的时间或者清除不同对象的一组此类引用的顺序将不受任何约束。然而，虚拟机实现不鼓励清除最近访问或使用过的软引用。下面是软引用的实现代码：

… …

import java.lang.ref.SoftReference;

…

A a = new A();

…

// 使用 a

…

// 使用完了a，将它设置为soft 引用类型，并且释放强引用；

SoftReference sr = new SoftReference(a);

a = null;

…

// 下次使用时

if (sr!=null) {

     a = sr.get();

}

else{

     // GC由于内存资源不足，可能系统已回收了a的软引用，

     // 因此需要重新装载。

     a = new A();

     sr=new SoftReference(a);

}

… …

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（crash）。因此在处理一些占用内存较大而且声明周期较长，但使用并不频繁的对象时应尽量应用该技术。正像上面的代码一样，我们可以在对象被回收之后重新创建（这里是指那些没有保留运行过程中状态的对象），提高应用对内存的使用效率，提高系统稳定性。但事物总是带有两面性的，有利亦有弊。在某些时候对软引用的使用会降低应用的运行效率与性能，例如：应用软引用的对象的初始化过程较为耗时，或者对象的状态在程序的运行过程中发生了变化，都会给重新创建对象与初始化对象带来不同程度的麻

烦，有些时候我们要权衡利弊择时应用。

3．弱引用

弱引用（Weak Reference）对象与Soft引用对象的最大不同就在于：GC在进行回收时，需要通过算法检查是否回收Soft引用对象，而对于Weak引用对象， GC总是进行回收。因此Weak引用对象会更容易、更快被GC回收。虽然，GC在运行时一定回收Weak引用对象，但是复杂关系的Weak对象群常常需要好几次GC的运行才能完成。Weak引用对象常常用于Map数据结构中，引用占用内存空间较大的对象，一旦该对象的强引用为null时，对这个对象引用就不存在了，GC能够快速地回收该对象空间。与软引用类似我们也可以给出相应的应用代码：

… …

import java.lang.ref.WeakReference;

…

A a = new A();

…

// 使用 a

…

// 使用完了a，将它设置为weak 引用类型，并且释放强引用；

WeakReference wr = new WeakReference (a);

a = null;

…

// 下次使用时

if (wr!=null) {

    a = wr.get();

}

else{

    a = new A();

    wr = new WeakReference (a);

}

… …

弱引用技术主要适用于实现无法防止其键（或值）被回收的规范化映射。另外，弱引用分为“短弱引用（Short Week Reference）”和“长弱引用（Long WeekReference）”，其区别是长弱引用在对象的Finalize方法被GC调用后依然追踪对象。基于安全考虑，不推荐使用长弱引用。因此建议使用下面的方式创建对象的弱引用。

… …

WeakReference wr = new WeakReference(obj);

或

WeakReference wr = new WeakReference(obj, false);

… …

4．虚引用

虚引用（Phantom Reference）的用途较少，主要用于辅助finalize函数的使用。Phantom对象指一些执行完了finalize函数，并且为不可达对象，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Reference的clear()方法，增强资源回收机制的灵活性。虚引用主要适用于以某种比 java 终结机制更灵活的方式调度 pre-mortem 清除操作。

&注意  在实际程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用，使用软引用的情况较多，这是因为软引用可以加速JVM对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运行安全，防止内存溢出（OutOfMemory）等问题的产生。

3.1.3不可视阶段

在一个对象经历了应用阶段之后，那么该对象便处于不可视阶段，说明我们在其他区域的代码中已经不可以再引用它，其强引用已经消失，例如，本地变量超出了其可视范围，如下所示。

… …

public void process () {

    try {

         Object obj = new Object();

         obj.doSomething();

     } catch (Exception e) {

     e.printStackTrace();

     }

     while (isLoop) { // ... loops forever

      // 这个区域对于obj对象来说已经是不可视的了

         // 因此下面的代码在编译时会引发错误

         obj.doSomething(); 

     }

}

… …

如果一个对象已使用完，而且在其可视区域不再使用，此时应该主动将其设置为空（null）。可以在上面的代码行obj.doSomething();下添加代码行obj = null;，这样一行代码强制将obj对象置为空值。这样做的意义是，可以帮助JVM及时地发现这个垃圾对象，并且可以及时地回收该对象所占用的系统资源。

3.1.4不可到达阶段

处于不可到达阶段的对象，在虚拟机所管理的对象引用根集合中再也找不到直接或间接的强引用，这些对象通常是指所有线程栈中的临时变量，所有已装载的类的静态变

量或者对本地代码接口（JNI）的引用。这些对象都是要被垃圾回收器回收的预备对象，但此时该对象并不能被垃圾回收器直接回收。其实所有垃圾回收算法所面临的问题是相同的——找出由分配器分配的，但是用户程序不可到达的内存块。

3.1.5 可收集阶段、终结阶段与释放阶段

对象生命周期的最后一个阶段是可收集阶段、终结阶段与释放阶段。当对象处于这个阶段的时候，可能处于下面三种情况：

（1）垃圾回收器发现该对象已经不可到达。

（2）finalize方法已经被执行。

（3）对象空间已被重用。

当对象处于上面的三种情况时，该对象就处于可收集阶段、终结阶段与释放阶段了。虚拟机就可以直接将该对象回收了。