[Java-jvm] 内存管理

JVM的内存结构介绍一下

注意

JMM 和 JVM内存结构是两个不同的概念。

• 线程私有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈。
• 线程共享：堆、方法区。

什么是程序计数器？

可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

介绍一下java虚拟机栈

每个方法在执行时都会创建一个栈帧，存储局部变量、操作数栈、动态链接和方法出口等信息。
栈帧会在方法调用时入栈，方法返回时出栈。

• 其特点在于：线程私有、生命周期与线程相同。

介绍一下本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈类似，但它为虚拟机使用到的本地方法服务。

扩展-什么是native方法

native方法是用于调用非Java代码的方法。可以通过JNI（Java Native Interface）实现与底层交互。

介绍一下 Java 堆

堆是JVM最大的一块内存区域，被所有线程共享，用于存放对象实例。

• 堆是垃圾回收器管理的主要区域

因此从内存回收的角度看，堆可以细分为新生代和老年代。

• 新生代（Young Generation）：存放新创建的对象。又可以细分为 Eden、From Survivor 和 To Survivor 区域。
• 老年代（Old Generation）：存放长时间存活的对象。

堆和栈的区别

• 堆属于线程共享的内存区域，存储对象实例，其生命周期由垃圾回收器管理。
• 栈属于线程私有的内存区域，存储方法调用的局部变量和操作数等信息，一般方法调用结束后自动释放。

介绍一下方法区

方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据

• JDK8 以前被称为“永久代”，是堆的一部分。
• JDK8 开始被称为“元空间”，使用本地内存，不在受堆大小限制。

重点- 对象创建的过程了解吗？

当实例化一个对象时，JVM会经历以下几个步骤：

1. 类加载检查：检查类是否已经被加载，如果没有则加载类。
2. 分配内存：在堆上为对象分配内存空间。
3. 对象内存初始化：将对象的成员变量初始化为默认值。
4. 设置对象头：为对象设置对象头信息，包括类指针和一些标志位。
5. 执行构造方法：调用对象的构造方法进行初始化。

对象的销毁过程了解吗？

对象的销毁过程主要由垃圾回收器负责。当一个对象不再被任何引用所指向时，垃圾回收器会将其标记为可回收，并在适当的时候回收。

堆内存是如何分配的？

使用指针碰撞和空闲列表。指针碰撞适合内存碎片化较少的内存区域，如新生代；空闲列表适合内存碎片化严重的区域，如老年代。

扩展-什么是指针碰撞

指针碰撞是指JVM会在以使用内存和空闲内存之间维护一个指针，当需要分配内存时，之间将这个指针向空闲内存方向移动即可。

扩展-什么是空闲列表

空闲列表是指JVM会维护一个链表，记录所有空闲内存块的信息。当需要分配内存时，JVM会遍历这个链表，找到一个足够大的空闲块进行分配。

new 对象时，堆会发生抢占吗？

会。
JVM为了解决内存抢占问题，会为线程保留一个线程本地分配缓冲区（TLAB），当线程需要分配对象时，会直接从TLAB分配，如果TLAB空间不足，才会使用全局分配指针。

重点- 对象的内存布局？

对象头、实例数据、对齐填充。

扩展-什么是对象头

对象头：对象的元信息，包含 Mark Word 和 类型指针等信息。

• Mark Word：存储对象在运行时的状态信息，包括锁状态、哈希码、GC标记等信息。
• 类型指针：指向对象所属类的元数据（即Class对象），用来支持多态和方法调用等功能。

扩展-什么是实例数据

实例数据：即对象的成员变量。

扩展-什么是对齐填充

对齐填充：为了满足CPU的内存访问效率，将内存地址对齐到特定的边界（通常是8字节）。

JVM 怎么访问对象的？

句柄 和 直接指针 两种方式。

• 句柄：

说一下对象有哪几种引用？

强引用、软引用、弱引用、虚引用

• 强引用：最常见的引用类型，只要对象被引用，则不会被垃圾回收器回收，即使内存不足。
• 软引用：当内存不足时，垃圾回收器会回收被软引用关联的对象。
• 弱引用：垃圾回收器在下一次回收时回收。
• 虚引用：虚引用任何时候都有可能被回收。

Java 堆的内存分区了解吗？

分为新生代和老年代。

• 新生代（Young Generation）：存放新创建的对象。可以细分为Eden、From Survivor 和 To Survivor 区域。
• 老年代（Old Generation）：当新生代经历多次GC仍然存活，会被移动到老年代。

说一下新生代的区域划分？

分为 Eden、From Survivor 和 To Survivor 区域。这种划分是为了配合“标记-复制算法”进行垃圾回收。

• 首先新创建的对象会被分配到Eden区，当Eden区被填满，会将存活的对象复制到空闲的 Survivor 区，并清空Eden区。
  当下一次Eden区再被填满时，会将Survivor和Eden区的存活对象，复制到另一个Survivor区，并清空Eden区和前一个Survivor区。
  循环这个过程，From 和 To 角色交替。

重点- 对象什么时候会进入老年代？

当新生代的对象经过多轮GC后仍然未被回收，超过一定阈值（一般为15次），则会将新生代的该对象移动到老年代。

STW 了解吗？

在进行垃圾回收时，会进行对象移动，为了保证对象在移动时不被修改，会暂停所有用户线程。这个过程被称为 Stop The World。

如何暂停线程

JVM 采用“主动式中断”策略。

1. 当需要暂停所有线程时，JVM 会设置一个全局标志位
2. 正在运行的 Java 线程在执行到安全点时，会主动检查这个标志位。
3. 如果发现需要暂停，线程就会在安全点处挂起自己。
4. 等待 JVM 完成全局操作后再恢复运行。

扩展-什么是安全点

安全点是JVM预设的、可以安全暂停线程的位置。

对象一定分配在堆中吗？

不一定。
因为JVM 可能会进行逃逸分析，如果对象的生命周期只在方法内部，那么这个对象就可以直接分配在栈中。

扩展-什么是逃逸

根据对象逃逸的范围，可以分为方法逃逸和线程逃逸。

• 方法逃逸：对象被方法外的代码引用，可能会被返回或者传递到其他方法中。
• 线程逃逸：对象被其他线程引用，可能会被多个线程共享。
  上述情况都需要分配到堆中。

扩展-什么是逃逸分析

逃逸分析是JVM的一种优化技术，用于分析对象的动态作用域，判断对象是否会逃逸出方法或线程的范围。

内存溢出和内存泄漏了解吗？

• 内存溢出（OutOfMemoryError,OOM）：当JVM无法为对象分配足够的内存时，会抛出内存溢出错误。
• 内存泄漏：当程序不再使用某个对象，但该对象仍然被引用，导致垃圾回收器无法回收该对象，从而占用内存资源。

内存泄漏可能由哪些原因导致呢？

• 长生命周期对象持有短生命周期对象的引用，导致短生命周期对象无法被回收。
• 静态集合类（如 HashMap、ArrayList）中存储了大量对象的引用，导致这些对象无法被回收。
• 资源未正确释放，如数据库连接、文件流等，导致相关对象无法被回收。

什么情况下会发生栈溢出？

当程序调用过深的递归方法，或者创建过多的线程时，可能会导致栈溢出（StackOverflowError）。

• 因为每个线程都有一个固定大小的栈空间，当超过这个空间时，就会发生栈溢出。