前言

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深入研究Java內(nèi)存管理，將增強(qiáng)你對(duì)堆如何工作、引用類型和垃圾回收的認(rèn)識(shí)。

你可能會(huì)思考，如果你使用Java編程，關(guān)于內(nèi)存如何工作你需要了解哪些哪些信息?Java可以進(jìn)行自動(dòng)內(nèi)存管理，而且有一個(gè)很好的、安靜的垃圾回收器，它在后臺(tái)工作，清理那些未使用的對(duì)象并釋放一些內(nèi)存。

因此，作為一名Java程序員，你不需要再為銷毀無(wú)用對(duì)象這樣的問(wèn)題而煩惱了。但是，雖然這個(gè)過(guò)程在Java中是自動(dòng)的，它也不能保證任何事情。由于不知道垃圾回收器和Java內(nèi)存是如何設(shè)計(jì)的，有些對(duì)象即使你不再使用了，卻也不符合垃圾回收的條件。

因此，了解Java中內(nèi)存實(shí)際是如何工作的非常重要，因?yàn)樗鼮槟憔帉?xiě)高性能和優(yōu)化的應(yīng)用程序提供了幫助，這些應(yīng)用程序永遠(yuǎn)不會(huì)因內(nèi)存不足而崩潰。另一方面，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)自己處于糟糕的境地時(shí)，你將能夠很快發(fā)現(xiàn)內(nèi)存的漏洞。

首先，讓我們看看內(nèi)存在Java中通常是如何組織的：

通常，內(nèi)存分為兩大部分：堆棧和堆。請(qǐng)記住，內(nèi)存類型在上圖中的大小與實(shí)際內(nèi)存大小不成比例。與堆棧相比，堆是一個(gè)巨大數(shù)量的內(nèi)存。

堆棧

堆棧內(nèi)存負(fù)責(zé)保存對(duì)堆對(duì)象的引用和存儲(chǔ)值類型（在Java中也稱為基元類型），值類型保存值本身而不保存對(duì)堆中對(duì)象的引用。

此外，堆棧上的變量具有一定的可見(jiàn)性，也稱為作用域。只有活躍作用域內(nèi)的對(duì)象才能被使用。例如，假設(shè)我們沒(méi)有任何全局作用域變量(字段)，只有局部變量，如果編譯器執(zhí)行方法的主體，它只能訪問(wèn)方法主體內(nèi)堆棧中的對(duì)象。它不能訪問(wèn)其它局部變量，因?yàn)檫@些變量超出了作用域。一旦方法完成并返回，堆棧頂部就會(huì)溢出，活躍作用域也會(huì)發(fā)生變化。

或許你注意到了在上圖中顯示的多個(gè)堆棧內(nèi)存，這是因?yàn)镴ava中的堆棧內(nèi)存是按線程分配的。因此，每次一個(gè)線程被創(chuàng)建和啟動(dòng)時(shí)，它都有自己的堆棧內(nèi)存，并且不能訪問(wèn)另一個(gè)線程的堆棧內(nèi)存。

堆

堆內(nèi)存將實(shí)際對(duì)象存儲(chǔ)在內(nèi)存中。這些對(duì)象被堆棧中的變量引用。例如，讓我們分析下面一行代碼發(fā)生了什么:

StringBuilder?builder?=?new?StringBuilder();

“new”關(guān)鍵字負(fù)責(zé)確保堆上有足夠的可用空間，在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)StringBuilder類型的對(duì)象，并通過(guò)堆棧中的“builder”引用它。

每個(gè)正在運(yùn)行的JVM進(jìn)程只有一個(gè)堆內(nèi)存。因此，無(wú)論運(yùn)行多少線程，這都是內(nèi)存中的一個(gè)共享部分。實(shí)際上，堆結(jié)構(gòu)與上圖中顯示的略有不同。堆本身被分成幾個(gè)部分，這有助于垃圾回收進(jìn)程。

最大堆棧和堆大小都沒(méi)有預(yù)定義 - 這取決于正在運(yùn)行的計(jì)算機(jī)。 然而，在后文中，我們將研究一些JVM配置，這些配置允許我們?yōu)檎谶\(yùn)行的應(yīng)用程序明確設(shè)定它們的大小

引用類型

如果仔細(xì)觀察內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖片，你或許會(huì)注意到，代表對(duì)堆中對(duì)象引用的箭頭的樣式實(shí)際是不同的。這是因?yàn)?，在Java編程語(yǔ)言中，我們有不同類型的引用:強(qiáng)引用、弱引用、軟引用和虛引用。引用類型之間的區(qū)別在于它們所引用堆上的對(duì)象在不同的條件下可以被作為垃圾回收。讓我們來(lái)仔細(xì)認(rèn)識(shí)一下每一種引用類型。

1. 強(qiáng)引用>>>

這種引用類型是我們都習(xí)慣并且最受歡迎的引用類型。在上面的StringBuilder示例中，我們實(shí)際上使用了對(duì)堆中對(duì)象的強(qiáng)引用。當(dāng)有一個(gè)強(qiáng)引用指向堆上的對(duì)象時(shí)，或者通過(guò)一系列強(qiáng)引用可以強(qiáng)訪問(wèn)該對(duì)象，則該對(duì)象不會(huì)被作為垃圾回收。

2. 弱引用>>

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在下一個(gè)垃圾回收進(jìn)程之后，對(duì)堆中對(duì)象的弱引用很可能不會(huì)繼續(xù)存在了。弱引用的創(chuàng)建示例如下:

WeakReference<StringBuilder>?reference?=?new?WeakReference<>(new?StringBuilder());

弱引用的一個(gè)很好的用例是緩存方案。假設(shè)你檢索了一些數(shù)據(jù)，并且還希望將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中—這樣同樣的數(shù)據(jù)可以被再次請(qǐng)求。另一方面，你不確定何時(shí)或者是否會(huì)再次請(qǐng)求這些數(shù)據(jù)。因此，你可以保留對(duì)它的弱引用，萬(wàn)一垃圾回收器運(yùn)行，它可能會(huì)破壞堆中的對(duì)象。因此，過(guò)了一會(huì)兒，如果你想要檢索你引用的對(duì)象，你可能會(huì)突然得到一個(gè)空的返回值。緩存方案的一個(gè)很好的使用是回收WeakHashMap。如果我們?cè)贘ava API中打開(kāi)WeakHashMap類，我們會(huì)看到它的條目實(shí)際上擴(kuò)展了WeakReference類，并使用它的引用字段作為映射的關(guān)鍵字:

private?static?class?Entry<K,V>?extends?WeakReference<Object>?implements?Map.Entry<K,V>?
{?
V?value;
......
}

一旦WeakHashMap中的一個(gè)關(guān)鍵字被進(jìn)行了垃圾回收，整個(gè)條目就會(huì)從映射中移除。

3. 軟引用>>>

這種引用類型用于對(duì)內(nèi)存更敏感的方案，因?yàn)橹挥挟?dāng)應(yīng)用程序內(nèi)存不足時(shí)，所引用的對(duì)象才會(huì)被作為垃圾回收。因此，只要沒(méi)有迫切需要釋放出一些內(nèi)存空間，垃圾回收器就不會(huì)去回收軟引用的對(duì)象。Java保證在拋出OutOfMemoryError之前清除所有軟引用的對(duì)象。Javadocs表明：“在虛擬機(jī)拋出OutOfMemoryError之前，所有對(duì)可軟訪問(wèn)對(duì)象的軟引用都會(huì)確保被清除。” 與弱引用類似，軟引用的創(chuàng)建示例如下:

SoftReference<StringBuilder>?reference?=?new?SoftReference<>(new?StringBuilder());
......
}

4. 虛引用>>>

用于算法檢查后的清理操作，因?yàn)槲覀冎烙行?duì)象不需要再存在。僅與引用隊(duì)列一起使用，因?yàn)榇祟愐玫?get（）方法將始終返回空值。這些引用類型被認(rèn)為是優(yōu)于終結(jié)器的。

如何引用字符串

Java中對(duì)字符串類型的處理略有不同。字符串是不可變的，這意味著每次使用字符串執(zhí)行操作時(shí)，實(shí)際上都會(huì)在堆上創(chuàng)建另一個(gè)對(duì)象。對(duì)于字符串，Java在內(nèi)存中進(jìn)行字符串池管理。這意味著Java會(huì)盡可能地存儲(chǔ)和重用字符串。對(duì)于字符串文字，更是這樣。例如：

String?localPrefix?=?"297";?//1
String?prefix?=?"297";??????//2
if?(prefix?==?localPrefix)
{
????System.out.println("Strings?are?equal"?);
}
else
{
????System.out.println("Strings?are?different");
}

運(yùn)行時(shí)，將輸出以下內(nèi)容：

Strings are equal

因此，可以看出在比較了字符串類型的兩個(gè)引用之后，它們實(shí)際上指向了堆中的相同對(duì)象。但是，這對(duì)于被計(jì)算的字符串無(wú)效。假設(shè)我們對(duì)上述代碼的//1行進(jìn)行以下更改

String?localPrefix?=?new?Integer(297).toString();?//1

輸出：

Strings are different

在這種情況下，我們實(shí)際上看到堆上有兩個(gè)不同的對(duì)象。如果我們考慮到計(jì)算出的字符串會(huì)被經(jīng)常使用，我們可以強(qiáng)制JVM通過(guò)在計(jì)算的字符串末尾添加.intern（）方法將計(jì)算的字符串添加到字符串池當(dāng)中：

String?localPrefix?=?new?Integer(297).toString().intern();?//1

進(jìn)行上述更改后輸出如下：

Strings are equal

垃圾回收進(jìn)程

正如前面所討論的，根據(jù)堆棧中的變量對(duì)堆中對(duì)象的引用類型，在某個(gè)確定的時(shí)間點(diǎn)，該對(duì)象符合垃圾回收器的條件。

比方說(shuō)，所有紅色的對(duì)象都符合被垃圾回收器的條件。 你可能會(huì)注意到堆上有一個(gè)對(duì)象，它對(duì)同一堆上的其它對(duì)象進(jìn)行了強(qiáng)引用（例如，可能是引用了自己項(xiàng)的列表，或者是具有兩個(gè)引用類型字段的對(duì)象）。但是，由于堆棧中的引用丟失，這個(gè)對(duì)象就無(wú)法再被訪問(wèn)，因此它也成了垃圾。

為了更深入地了解細(xì)節(jié)，我們先提出以下幾點(diǎn)：

1.這個(gè)過(guò)程是由Java自動(dòng)觸發(fā)的，何時(shí)啟動(dòng)以及是否啟動(dòng)此過(guò)程取決于Java。

2.實(shí)際上這個(gè)進(jìn)程是昂貴的。當(dāng)垃圾回收器運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序中的所有線程都會(huì)暫停(取決于GC類型，稍后將對(duì)此進(jìn)行討論)。

3.這實(shí)際上是一個(gè)比垃圾回收和釋放內(nèi)存更復(fù)雜的進(jìn)程。

盡管由Java決定何時(shí)運(yùn)行垃圾回收器，你也可以直接調(diào)用System.gc( )并期望垃圾回收器在執(zhí)行這行代碼時(shí)運(yùn)行，對(duì)吧？

這是一個(gè)錯(cuò)誤的假設(shè)。

你只需要讓Java運(yùn)行垃圾回收器，但是是否運(yùn)行垃圾回收器仍然取決于Java。無(wú)論如何，不建議直接調(diào)用System.gc( )。

由于這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，并且它可能會(huì)影響你程序的表現(xiàn)，它需要以一個(gè)智能的方式實(shí)現(xiàn)。 一個(gè)被稱作“標(biāo)記和掃描”的進(jìn)程來(lái)完成此任務(wù)。Java分析堆棧中的變量并“標(biāo)記”所有保持活躍的對(duì)象，然后清除所有不會(huì)使用的對(duì)象。

實(shí)際上，Java并沒(méi)有回收任何垃圾。事實(shí)上，垃圾越多，標(biāo)記為活躍的對(duì)象就越少，進(jìn)程也就越快。為了使這個(gè)進(jìn)程更加優(yōu)化，堆內(nèi)存實(shí)際由多個(gè)部分組成。我們可以通過(guò)JVisualVM（Java JDK附帶的工具）可視化內(nèi)存使用情況和其它一些有用的東西。您唯一需要做的就是安裝一個(gè)名為Visual GC的插件，它允許您查看內(nèi)存的實(shí)際結(jié)構(gòu)。讓我們放大一點(diǎn)，分解大局：

當(dāng)一個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)，它被分配到Eden(1)區(qū)。因?yàn)镋den區(qū)的空間沒(méi)有那么大，它很快就滿了。垃圾回收器在Eden區(qū)運(yùn)行，并標(biāo)記出活躍的對(duì)象。

一旦一個(gè)對(duì)象在一次垃圾回收進(jìn)程中存活，它就會(huì)被移動(dòng)到所謂的幸存者區(qū)S0(2)中。 垃圾器第回收二次在Eden區(qū)上運(yùn)行時(shí)，它會(huì)將所有幸存的對(duì)象移動(dòng)到S1(3)區(qū)中。此外，當(dāng)前在S0(2)區(qū)上的所有內(nèi)容都將被移動(dòng)到S1(3)區(qū)中。

如果一個(gè)對(duì)象在X輪垃圾回收中存活了下來(lái)(取決于JVM的實(shí)現(xiàn)，在我的例子中是8輪)，那么它很可能會(huì)永遠(yuǎn)存活下來(lái)，并被移入到Old(4)區(qū)。

結(jié)合目前為止所說(shuō)的一切，如果你看一下圖中標(biāo)號(hào)(6)的垃圾回收器，它每次運(yùn)行時(shí)，你都可以看到對(duì)象切換到幸存者空間，并且Eden區(qū)的空間增大了。如此反復(fù)。老一代也可以被作為垃圾回收，但由于它在內(nèi)存中空間是比Eden區(qū)更大的部分，因此這種情況不會(huì)經(jīng)常發(fā)生。Metaspace(5)用于在JVM中存儲(chǔ)已加載類的元數(shù)據(jù)。

所呈現(xiàn)的圖片實(shí)際上是一個(gè)Java 8的應(yīng)用程序。在Java 8之前的版本，內(nèi)存的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)不同。元空間實(shí)際上稱為PermGen. 區(qū)。例如，在Java 6中，此空間還為字符串池存儲(chǔ)了內(nèi)存。因此，如果Java 6應(yīng)用程序中有太多字符串，則它可能會(huì)崩潰。歡迎大家關(guān)注我的公種浩【程序員追風(fēng)】，文章都會(huì)在里面更新，整理的資料也會(huì)放在里面。

垃圾回收器類型

實(shí)際上，JVM有三種類型的垃圾回收器，程序員可以選擇應(yīng)該使用哪種垃圾回收器。默認(rèn)情況下，Java根據(jù)底層硬件選擇要使用的垃圾回收器類型。

1.串行垃圾回收器 - 一個(gè)單線程回收器。 主要適用于數(shù)據(jù)使用量較小的小型應(yīng)用程序。 可以通過(guò)指定命令行選項(xiàng)來(lái)啟用：-XX：+ UseSerialGC

2.并行垃圾回收器- 從命名可以看出，串行垃圾回收器和并行垃圾回收器之間的區(qū)別在于并行垃圾回收器使用多個(gè)線程來(lái)執(zhí)行垃圾回收進(jìn)行。并行垃圾回收器也被稱作吞吐量回收器?？梢酝ㄟ^(guò)直接指定選項(xiàng)來(lái)啟用它：-XX：+ UseParallelGC

3.主要并發(fā)標(biāo)記垃圾回收器 - 如果你還記得，在本文前面提到垃圾回收過(guò)程實(shí)際上相當(dāng)昂貴，并且當(dāng)它運(yùn)行時(shí)，所有線程都被暫停。但是，我們有這種大多數(shù)并發(fā)GC類型，它聲明它與應(yīng)用程序并發(fā)工作。但是，它有“大多數(shù)”并發(fā)的原因。它不能100％同時(shí)應(yīng)用于應(yīng)用程序。線程暫停一段時(shí)間。盡管如此，暫停時(shí)間盡可能短，以實(shí)現(xiàn)最佳的GC性能。實(shí)際上，有兩種類型的大多數(shù)并發(fā)GC：

3.1垃圾優(yōu)先 - 應(yīng)用程序合理暫停時(shí)間內(nèi)的高吞吐量。 通過(guò)以下選項(xiàng)啟用：-XX：+ UseG1GC

3.2并發(fā)標(biāo)記掃描 - 應(yīng)用程序暫停時(shí)間保持最短。可以通過(guò)指定選項(xiàng)來(lái)啟用：-XX：+ UseConcMarkSweepGC。從JDK 9開(kāi)始，這個(gè)垃圾回收器類型不推薦使用。。

提示和技巧

1.為了最小化內(nèi)存的占用，請(qǐng)盡可能限制變量的作用域。請(qǐng)記住，每次堆棧中的頂級(jí)作用域溢出時(shí)，來(lái)自該作用域的引用都會(huì)丟失，這可能會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的對(duì)象被作為垃圾回收。

2.直接對(duì)空的、廢棄對(duì)象的引用，這會(huì)導(dǎo)致被引用的對(duì)象被作為垃圾回收。

3.避免成為終結(jié)者。 它們放慢了進(jìn)程，不保證任何事情， 更喜歡進(jìn)行對(duì)虛引用的清理工作。

4.當(dāng)弱引用或軟引用適用時(shí)，請(qǐng)不要使用強(qiáng)引用。最常見(jiàn)的內(nèi)存缺陷是緩存方案，即使數(shù)據(jù)可能不需要，也會(huì)被保存在內(nèi)存中。

5.JVisualVM還具有在某一點(diǎn)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行堆轉(zhuǎn)儲(chǔ)的功能，因此你可以分析每一類所占用的內(nèi)存量。

6.根據(jù)你的應(yīng)用程序需求來(lái)配置JVM。運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)，明確指定JVM的堆大小。內(nèi)存分配進(jìn)程是寶貴的，因此要為堆分配一個(gè)合理的初始最大內(nèi)存空間。如果你知道一開(kāi)始使用較小的初始堆空間是沒(méi)有意義的，JVM將擴(kuò)展這個(gè)內(nèi)存空間。 根據(jù)以下命令來(lái)明確內(nèi)存空間：

（1）初始堆大小 -Xms512m 將初始堆大小設(shè)置為512 mb。

（2）最大堆大小 -Xmx1024m 將最大堆大小設(shè)置為1024 mb。

（3）線程堆棧大小 -Xss128m 將線程堆棧大小設(shè)置為128mb。

（4）新生代堆大小 -Xmn256m 將新生代堆大小設(shè)置為256mb。

7.如果Java應(yīng)用程序崩潰并出現(xiàn)OutOfMemoryError，你需要一些額外的信息來(lái)檢測(cè)漏洞，運(yùn)行以下進(jìn)程：-XX：HeapDumpOnOutOfMemory，它將在下次發(fā)生此錯(cuò)誤時(shí)創(chuàng)建堆轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件。

8.使用-verbose：gc選項(xiàng)獲取垃圾回收輸出。 每次進(jìn)行垃圾回收時(shí)，都會(huì)生成一個(gè)輸出

總結(jié)

從內(nèi)存資源的角度看，了解內(nèi)存是如何組織的，會(huì)為你編寫(xiě)良好、優(yōu)化的代碼提供優(yōu)勢(shì)。這樣做的好處是，你可以通過(guò)提供最適合你所運(yùn)行應(yīng)用程序的不同配置，來(lái)優(yōu)化你正在運(yùn)行的JVM。如果使用正確的工具，發(fā)現(xiàn)和修復(fù)內(nèi)存漏洞只是一件容易的事情。

最后

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標(biāo)題名稱：Java內(nèi)存大家都知道，但你知道要怎么管理Java內(nèi)存嗎？
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