浅谈JVM的实现与垃圾回收机制

Java被称为是一个人类可读的编程语言，其主要特点是基于类和面向对象，Java的开源版本被称为OpenJDK。Java编程环境由两个部分组成：Java语言和运行环境，运行环境也称为Java虚拟机（JVM），JVM是一个为执行Java程序提供运行时环境的程序。本文主要探讨JVM的实现机制。

什么是JVM

解释之前，先上一张图吓一下大家：

这张图中我们需要注意的是，JVM的核心组件包括三个部分：Heap, JIT Compiler, GC, 当我们要优化JVM的性能的时候主要调优的目标是这三个组件。

JVM负责解释执行字节码文件，所有平台上的JVM向编译器提供相同的编程接口，而编译器只需要面向虚拟机，生成虚拟机能理解的代码，然后由虚拟机来解释执行。JVM是一个为执行Java程序提供运行时环境的程序。没有JVM，Java程序也就不能执行。一个Java程序通常通过以下的方式执行：

java <arguments> <program name>

首先操作系统会启动JVM进程为Java程序提供运行时环境，然后会在刚启动的虚拟机中执行我们的Java程序。需要注意的是，Java程序首先要被转换（编译）成Java字节码（bytecode），JVM上运行的是Java字节码程序。JVM可以看成是一个JAVA字节码程序解释器。

Write Once, Run anywhere

当使用Java编译器编译Java程序时，生成的是与平台无关的字节码，这些字节码不面向任何具体平台，它只面向JVM。不同平台的JVM都是不同的，但它们都提供了相同的接口。JVM是Java程序跨平台的关键部分，只要为不同平台实现了相应的虚拟机，编译后的Java字节码就可以在该平台上运行。

JVM收集运行时信息以为如何执行代码做出更好的决策。这意味着JVM能够自动模拟和优化运行在它上面的程序。JVM在Java程序和操作系统间形成了一个中间层，使得开发者不用过多的处理和操作系统相关的具体细节问题。

JVM的另一个好处是，任何能够编译成字节码的语言都可以在它上面运行，不仅仅是Java，比如Groovy, Scala和Clojure这些基于JVM的语言。这也意味着，这些语言可以轻松的使用其他语言写的函数库。例如一个Scala开发者可以调用Java库，因为他们运行在相同的平台上。

从实际硬件上隔离出来，意味着Java代码就像一个沙盒，这可以避免一运行有害代码对机器硬件造成的伤害。安全性是JVM的主要好处之一。需要注意的是，并不是所有的JVM都是相同的，在Oracle的标准JVM实现标准之上还存在很多其他的实现方式。而我们主要讨论的是HotSport JVM，这也是OpenJDK和Oracle JVM的实现基础。

JIT - Just In Time

正如我们之前讨论的，JVM运行的是字节码。但是，如果有一段代码会被频繁的执行，那么JVM可以决定将这段代码编译为机器码（native code）以加快这段代码的执行速度。JIT可编译的最小执行块是一个方法。默认情况下，一个代码块需要被执行1500次才会被JIT编译，这个次数是可配置的。利用JIT机制可以有效的提升系统的性能，但是，JIT编译并不是无代价的，其需要耗费额外的系统资源和时间。

Java内存管理和GC

在Java中，对象所占用的内存在对象不再使用后会自动被回收。这些工作是由一个叫垃圾回收器Garbage Collector的进程完成的。相比较C/C++程序而言，你必须手动调用free()函数或delete操作符来回收内存。在这里我们主要讨论的是HotSpot JVM（这也是OpenJDK和Oracle Java的实现基础），事实上，还有很多其他的JVM实现方式。

GC的优缺点

好处是

1. 开发者无需过问内存管理，可以专注于解决实际问题。虽然内存泄露仍有可能会发生，但发生的概率比较小。
2. GC的智能算法可以在后台自动的进行内存管理，且这种管理在大多数时候是最佳的。

坏处是

1. 当垃圾回收发生时，它会影响程序的性能，甚至会暂停程序的执行。这个被称为“Stop the world”垃圾回收机制，整个程序进程会被暂停以等待垃圾回收执行完。对某些应用而言，这可能是无法接受的。
2. 开发者并不能指定何时或使用何种方法执行GC。

Generational GC

在了解更多关于GC的问题之前有必要理解Java内存中的堆区（Heap）事如何工作的。所有的对象都存在于堆中（与此对应的是栈，这里初访者变量和方法，以及堆中对象的引用）。垃圾回收的过程也就是将堆区中不再需要对象清除的过程。几乎所有的GCs都是“分代的（generational）”，也就是说堆区会划分成很多的区块，也称为代。Hotspot的堆结构如下图所示：

New/Young Generation

大多数的应用中持有的对象很大部分是短生命周期的，这被称为“Weak generational hypothesis”。在垃圾回收期间分析应用中所有的对象是一件缓慢而耗时的工作，因此可以将短生命周期的对象在其被创建时就分隔出来。因此New Generation可以进一步划分为：

• Eden Space (Eden空间)：所有的新创建的对象都存在与此。当其变满时，minor GC便会出现。然后所有仍然被引用的对象被移动到幸存者空间中。
• Survivor Spaces （幸存者空间）：对不同的JVM而言，幸存者空间的实现方式也不尽相同，但基本原理都是相同的。New Generation中的每一个GC都会增加幸存者空间中的对象年龄。如果对象的年龄超过某个特定值（默认情况下是15），该对象会被移往Old Generation。

New Generation中的GC也被称为minor GC。使用New Generation的好处是可以减少分片带来的影响。

Old Generation

任何从New Generation中的幸存者空间中幸存下来的对象会被送往Old Generation。Old Generation通常比New Generation大很多。存在于Old Generation中的GC也被称为Full GC。Full GC可以执行“Stop The World”机制，并且通常会占用更长的时间，因此Full GC也称为绝大不多的JVM可以进行优化的地方。

Permanent Generation

Permanent Generation用于存放类的元信息。在Java 8中其被metaspace所取代。通常Permanent Generation无需为了确保其有足够空间而被优化，但是当类没有被正确上传时，其仍有可能发生内存泄露的情况。

Java中的内存泄露

Java所支持的垃圾回收机制有效的减少了内存溢出的发生。内存溢出意味着当分配出去的内存却永远都没有被回收。虽然JVM能够自动回收那些没有被使用的对象所占用的内存，但事实上，Java中还是回发生内存溢出现象。假设存在一个有效的（但是没有被使用）对象引用指向一个没有被使用的对象，这会导致该对象一直占用着内存。

举例来说，当一个方法需要运行很长的时间（或者永远都在运行），方法中的局部变量可以在长时间的持有对象引用，而这远超出自己实际需要的时间。代码如下：

public static void main(String args[]) {int bigArray[] = new int[1000];int result = compute(bigArray);// We no longer need bigArray. It will get garbage collected when // there are no more references to it. Because bigArray is a local // variable, it refers to the array until this method returns. But // this method doesn't return. So we've got to explicitly get rid // of the referenceourselves, so the garbage collector knows it can // reclaim the array.bigArray = null;// Loop forever, handling the user's inputfor(;;) handle_input(result);}

内存泄露也会出现在你使用类似于HashMap这类数据结构时将一个对象与另一个对象相关联的情况。即使两个对象都不再被需要了，这种关联仍会存在于hash表中，除非hash表本身被垃圾回收器回收了，否则其中的关联对象会一直占用内存。如果hash表会运行相当长的时间的话，那么内存泄露便会发生。

System.gc() and finalize()

可以手动执行垃圾回收嘛？

这应该是个有意思的问题。答案是可以，也不可以。我们可以调用System.gc()方法建议JVM执行垃圾回收。然后，并没有任何保证说JVM一定会执行该操作。作为开发者，我们无法知晓JVM是否执行了我们的代码。并且，通常认为使用System.gc()是个很不明智的做法。

finalize()

finalize()方法存在于java.lang.Object类中，可以被所有对象所使用。默认情况下其不执行任何动作。当垃圾回收器确定了一个对象没有任何引用时，其会调用finalize()方法。但是，finalize方法并不一定会被执行，因此也不建议覆写finalize()该方法。

References

1. Java In a Nutshell, 6th Edition
2. http://java.dzone.com/articles/jvm-and-garbage-collection
3. http://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/gc01/index.html

from: http://wwsun.github.io/posts/jvm-gc.html