一、Java GC 概念说明

Java GC(Garbage Collection，垃圾收集，垃圾回收)机制，是Java与C++/C的主要区别之一，作为Java开发者，一般不需要专门编写内存回收和垃圾清理代码，对内存泄露和溢出的问题，也不需要像C程序员那样战战兢兢。这是因为在Java虚拟机中，存在自动内存管理和垃圾清扫机制。概括地说，该机制对JVM(Java Virtual Machine)中的内存进行标记，并确定哪些内存需要回收，根据一定的回收策略，自动的回收内存，永不停息(Nerver Stop)的保证JVM中的内存空间，防止出现内存泄露和溢出问题。

Java GC机制主要完成3件事：确定哪些内存需要回收，确定什么时候需要执行GC，如何执行GC。下面我们将从4个方面学习Java GC机制，1，内存是如何分配的；2，如何保证内存不被错误回收(即：哪些内存需要回收)；3，在什么情况下执行GC以及执行GC的方式；4，如何监控和优化GC机制。

二、Java内存区域划分

了解Java GC机制，必须先清楚在JVM中内存区域的划分。在Java运行时的数据区里，由JVM管理的内存区域分为下图几个模块：

1. 程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器是一个比较小的内存区域，用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。

每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以它是线程私有(一个线程就有一个程序计数器)的。

如果程序执行的是一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是一个本地(native，由C语言编写完成)方法，则计数器的值为Undefined，由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。

2. Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)

一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧(Statck Frame)，栈帧中存储的有局部变量表、操作站、动态链接、方法出口等，当方法被调用时，栈帧在JVM栈中入栈，当方法执行完成时，栈帧出栈。

局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。在局部变量表中，只有long和double类型会占用2个局部变量空间(Slot，对于32位机器，一个Slot就是32个bit)，其它都是1个Slot。需要注意的是，局部变量表是在编译时就已经确定好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。

虚拟机栈中定义了两种异常，如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError(栈溢出)；不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足，此时，会抛出OutOfMemoryError(内存溢出)。

每个线程对应着一个虚拟机栈，因此虚拟机栈也是线程私有的。

3. 本地方法栈(Native Method Stacks)

本地方法栈在作用，运行机制，异常类型等方面都与虚拟机栈相同，唯一的区别是：虚拟机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是用来执行native方法的，在很多虚拟机中(如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机)，会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。

本地方法栈也是线程私有的。

4. 堆区(Heap) (新生代和旧生代)

堆区是理解Java GC机制最重要的区域，没有之一。在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块，堆区也是Java GC机制所管理的主要内存区域，堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区的存在是为了存储对象实例，原则上讲，所有的对象都在堆区上分配内存(不过现代技术里，也不是这么绝对的，也有栈上直接分配的)。

一般的，根据Java虚拟机规范规定，堆内存需要在逻辑上是连续的(在物理上不需要)，在实现时，可以是固定大小的，也可以是可扩展的，目前主流的虚拟机都是可扩展的。如果在执行垃圾回收之后，仍没有足够的内存分配，也不能再扩展，将会抛出OutOfMemoryError:Java heap space异常。

5. 方法区(Method Area)(永久代)

方法区是各个线程共享的区域，用于存储已经被虚拟机加载的类信息(即加载类时需要加载的信息，包括版本、field、方法、接口等信息)、final常量、静态变量、编译器即时编译的代码等。

方法区在物理上也不需要是连续的，可以选择固定大小或可扩展大小，并且方法区比堆还多了一个限制：可以选择是否执行垃圾收集。一般的，方法区上执行的垃圾收集是很少的。但这也不代表着在方法区上完全没有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是针对常量池的内存回收和对已加载类的卸载。

在方法区上进行垃圾收集，条件苛刻而且相当困难，效果也不令人满意，所以一般不做太多考虑，可以留作以后进一步深入研究时使用。

在方法区上定义了OutOfMemoryError:PermGen space异常，在内存不足时抛出。

6. 新生代、旧生代、永久代

虚拟机中共划分为三个代：新生代、旧生代、永久代。年轻代和年老代的划分是对垃圾收集影响比较大的。

所有新生成的对象首先都是放在新生代的；旧生代中存放的都是一些生命周期较长的对象。永久代用于存放静态文件，如Java类、方法等。永久代对垃圾回收没有显著影响。

三、Java对象的访问方式

一个Java的引用访问涉及到3个内存区域：JVM栈，堆，方法区。

以最简单的本地变量引用：Object obj = new Object()为例：

Object obj表示一个本地引用，存储在JVM栈的本地变量表中，表示一个reference类型数据；

new Object()作为实例对象数据存储在堆中；

堆中还记录了Object类的类型信息(接口、方法、field、对象类型等)的地址，这些地址所执行的数据存储在方法区中；

在Java虚拟机规范中，对于通过reference类型引用访问具体对象的方式并未做规定，目前主流的实现方式主要有两种：

1. 通过句柄访问：

通过句柄访问的实现方式中，JVM堆中会专门有一块区域用来作为句柄池，存储相关句柄所执行的实例数据地址(包括在堆中地址和在方法区中的地址)。这种实现方法由于用句柄表示地址，因此十分稳定。

2. 通过直接指针访问：

通过直接指针访问的方式中，reference中存储的就是对象在堆中的实际地址，在堆中存储的对象信息中包含了在方法区中的相应类型数据。这种方法最大的优势是速度快，在HotSpot虚拟机中用的就是这种方式。

四、参考资料

1.《JAVA编程思想》第5章

2.《Java深度历险》Java垃圾回收机制与引用类型

3.《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》，第2-3章