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細說Java內(nèi)存管理：棧、堆、引用類型

朋友，您在使用Java進行編程時，是否了解過其調(diào)用內(nèi)存的工作原理?總的說來，作為一個不錯的靜默式垃圾回收器，Java具有自動管理內(nèi)存的功能，能夠在后臺工作，清理未使用的對象，并釋放內(nèi)存。話雖如此，如果您的程序設(shè)計不到位，Java的垃圾收集器和內(nèi)存管理特性，恐怕也無法自動生效。

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可見，了解內(nèi)存在Java中的實際原理是至關(guān)重要的。它不但能夠輔助您編寫出高性能的應(yīng)用程序，還能夠盡量避免程序因OutOfMemoryError而崩潰;或者是在程序運行狀況不佳時，協(xié)助您快速發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄漏的原因。

下面，讓我們首先來看一下Java語言中的內(nèi)存組織結(jié)構(gòu)：

如上圖所示，內(nèi)存通常被分為兩大部分：棧和堆。請記住，該圖片中的內(nèi)存類型大小與實際內(nèi)存大小并不成比例。也就是說：與棧相比，堆是更大塊的內(nèi)存。

棧(Stack)

棧內(nèi)存既負責保存那些針對堆對象(heap objects)的引用，又負責保存各種值的類型，即：存儲的是數(shù)值本身，而不是對堆中某個對象的引用。在Java中，我們稱為原始類型(primitive types)。

另外，棧上的變量具有一定的可見性，我們稱為范圍(scope)。通常，只有活躍范圍(active scope)中的對象，才可以被使用。例如：假設(shè)我們沒有任何全局作用域的變量(或字段)，而只有局部的變量，那么如果編譯器要執(zhí)行某個方法的主體，就只能從棧中訪問該方法主體內(nèi)的對象。而且由于超出了范圍，因此它無法訪問其他局部變量。一旦該方法被執(zhí)行完成并給出了返回，它就會彈出棧的頂部，并更改活躍范圍。

也許您已經(jīng)注意到，由于Java的棧內(nèi)存是按照線程分配的，因此在上圖中會有多個棧存儲器。而且，程序在每次創(chuàng)建和啟動一個線程時，都擁有自己的棧內(nèi)存，無需也無法訪問另一個線程的棧內(nèi)存。

堆(Heap)

這部分的內(nèi)存存儲著實際對象，它們會被棧的變量所引用。讓我們來看如下代碼行：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. StringBuilder builder = new StringBuilder(); 
    2.

關(guān)鍵字new負責確保堆能夠獲取足夠的可用空間。它在存儲器中創(chuàng)建StringBuilder類型的對象，并通過“builder”的引用，其壓入棧中。

由于每個正在運行的JVM進程只有一個堆內(nèi)存，因此無論系統(tǒng)當前正在運行多少個線程，它們都會共享內(nèi)存的指定部分。實際上，堆的真實結(jié)構(gòu)與上圖不盡相同，它會根據(jù)垃圾收集的過程，被分成幾個部分。

而是否需要預定義棧和堆的最大容量，將完全取決于正在運行程序的計算機。在后面的討論中，我們將研究JVM的相關(guān)配置，以便為正在運行的應(yīng)用程序，顯式地指定大小。

引用類型

如果仔細觀察上述圖片，您可能會注意到，來自于堆的、表示對象引用的箭頭，實際上具有不同的類型。這是因為在Java編程語言中，我們具有不同類型的引用，即：強引用、弱引用、軟引用、以及虛引用(phantom references)。引用類型之間的區(qū)別在于：堆上的對象在不同條件下，可以引用的垃圾回收有所不同。下面，我們來逐個進行討論。

1.強引用

這是最流行，也是開發(fā)人員最常用的引用類型。在上述StringBuilder示例中，我們實際上對堆中的對象采取了強引用。堆上的對象不會被垃圾回收，而是有一個指向了它的強引用，或者通過一串強引用來獲取該對象。

2.弱引用

弱引用可通過如下方式被創(chuàng)建：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. WeakReference reference = new WeakReference<>(new StringBuilder()); 
    2.

弱引用的一種最佳使用場景是緩存方案。設(shè)想，您檢索了一些數(shù)據(jù)，并且希望將其存儲在內(nèi)存中，以便下次能夠直接作出響應(yīng)。當然，您并不確定何時或者是否有對該數(shù)據(jù)的請求。那么，您就可以對其采用弱引用，以免堆上的對象被垃圾收集器回收掉，以致在檢索該對象時，返回null值?？梢?，WeakHashMap

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. /** 
    2.   
  
  
  
  2.     * The entries in this hash table extend WeakReference, using its main ref 
    3.   
  
  
  
  3.     * field as the key. 
    4.   
  
  
  
  4. */ 
    5.   
  
  
  
  5. private static class Entry extends WeakReference implements Map.Entry {   
  
  
  
  6.     V value; 
    7.  
 
 

    一旦WeakHashMap中某個鍵被垃圾回收，那么整個條目就會從映射中被刪除。
    3.軟引用
    此類引用可用于那些對于內(nèi)存非常敏感的方案。例如，只有在應(yīng)用程序的內(nèi)存不足時，該引用才會被垃圾回收。也就是說，不到迫不得已，垃圾收集器就不會處置軟引用對應(yīng)的對象。而且，Java的相關(guān)文檔已提到了：在虛擬機拋出OutOfMemoryError之前，所有軟引用的對象早已被清除了。
    與弱引用類似，我們可以按照如下方式來創(chuàng)建軟引用：
     
 
 
 
        
  
  
  
    1. SoftReference reference = new SoftReference<>(new StringBuilder()); 
      2.  
 
 

    4.虛引用
    虛引用可被用于事后清理操作，畢竟我們可以確定對象已不復存在。此類引用的.get()方法將始終返回null。虛引用必須和引用隊列(ReferenceQueue)一起使用。也就是說，當垃圾回收器準備回收某個對象時，如果發(fā)現(xiàn)它尚存有虛引用，就會在回收該對象的內(nèi)存之前，把虛引用加入到與之相關(guān)聯(lián)的引用隊列中。
    如何引用字符串
    Java中的字符串(String)類型有些特殊，它是不可變的。這就意味著程序每次使用字符串進行操作時，實際上都會在堆上創(chuàng)建另一個對象。而對于字符串而言，由于Java管理著內(nèi)存中的字符串池，因此Java會盡可能地存儲和重用字符串。例如：
     
 
 
 
        
  
  
  
    1. String localPrefix = "297"; //1 
      2.   
  
  
  
    2. String prefix = "297";      //2 
      3.   
  
  
  
    3. if (prefix == localPrefix) 
      4.   
  
  
  
    4. { 
      5.   
  
  
  
    5.     System.out.println("Strings are equal" ); 
      6.   
  
  
  
    6. } 
      7.   
  
  
  
    7. else 
      8.   
  
  
  
    8. { 
      9.   
  
  
  
    9.     System.out.println("Strings are different"); 
      10.   
  
  
  
    10. } 
      11.  
 
 

    在上述代碼被運行后，將會打印出：
    字符串相等(Strings are equal)
    可見，事實證明，在比較了String類型的兩個引用之后，這些引用實際上指向的是堆上的相同對象。但是，這對于那些經(jīng)過計算的字符串來說是無效的。例如：我們將上述代碼的//1行更改為：
     
 
 
 
        
  
  
  
    1. String localPrefix = new Integer(297).toString(); //1 
      2.  
 
 

    那么輸出則變?yōu)椋?/p>
    字符串不同(Strings are different)
    可見，在這種情況下，堆上有兩個不同的對象。如果我們認為經(jīng)過計算的字符串會經(jīng)常被使用的話，則可以在經(jīng)過計算的字符串末尾，添加.intern()方法來，強制JVM將其添加到字符串池中。如下代碼再次修改了//1行：
     
 
 
 
        
  
  
  
    1. String localPrefix = new Integer(297).toString().intern(); //1 
      2.  
 
 

    那么輸出則變?yōu)椋?/p>
    字符串相等(Strings are equal)
    垃圾收集程序
    如前所述，根據(jù)棧中的變量被保存到堆中的對象所引用類型，在某個時間點，該對象將會成為垃圾收集器的“合格對象”。
    如上圖所示，所有紅色的對象都有資格被垃圾收集器收集。您可能會注意到，堆上有一個對象具有其他對象的強引用(例如，既可以是對其進行引用的列表，又可以是具有兩種引用類型字段的對象)。由于它丟失了在棧中的引用，程序無法再對其進行訪問，因此它也成為了垃圾。
    在向下更深入討論之前，讓我們先明確如下三點：
    • 此過程由Java自動觸發(fā)，并由Java決定何時、以及是否啟動此過程。
    • 當垃圾收集器運行時，應(yīng)用程序中的所有線程都將暫停，因此該過程代價不菲。
    • 該過程并非僅為垃圾收集和釋放內(nèi)存那么簡單。
    鑒于這是一個非常復雜的過程，并且可能會影響程序的性能，因此我們可以使用所謂的“標記和清掃(Mark and Sweep)”過程，即：讓Java分析棧中的變量，并“標記”所有需要保持活躍狀態(tài)的對象，然后清除所有未在使用的對象。顯然，被標記為垃圾的對象越多，需要保持活躍的對象就越少，該過程就會越快。為了使之更加高效，我們可以使用Java JDK附帶的工具—JvisualVM，來可視化內(nèi)存的使用情況和其他實用的信息。當然，您需要安裝一個名為Visual GC的插件，以查看到內(nèi)存的實際結(jié)構(gòu)。
    如上圖所示，我們創(chuàng)建了一個對象，并將其分配到Eden(1)空間上。由于Eden空間并不大，因此很快就會被填滿。此時，垃圾收集器運行在Eden空間上，并將各個對象標記為活躍。
    一旦某個對象在垃圾回收的過程中留存下來，它就將會被移到所謂的留存空間--S0(2)中。當垃圾收集器第二次在Eden空間上運行時，它會將所有留存的對象移到S1(3)空間中。同樣，當前在S0(2)上的所有對象，也都被移到S1(3)空間中。如果一個對象經(jīng)過n輪垃圾回收，仍被留存下來的話，那么它被視為需要持久存在，并被移入Old(4)空間。
    至此，在垃圾回收器graph(6)中，您會看到各種對象在每一次運行后，被轉(zhuǎn)移到留存空間，Eden空間同時也會重新產(chǎn)生。而Metaspace(5)可被用于讓元數(shù)據(jù)存儲JVM加載的各種類。
    上述圖片實際上是一個Java 8的應(yīng)用程序。而在Java 8之前的版本中，內(nèi)存結(jié)構(gòu)會略有不同。metaspace實際上被稱為PermGen空間。例如，在Java 6中，該空間還存儲了字符串池的內(nèi)存。因此，如果Java 6應(yīng)用程序中的字符串過多，就可能會崩潰。
    垃圾收集器(GC)的類型
    實際上，JVM具有如下三種類型的垃圾收集器，可供開發(fā)人員進行選擇。默認情況下，Java會根據(jù)實際環(huán)境中的底層硬件，來進行選用。
    1. 串行GC – 單線程收集器。它通常適用于數(shù)據(jù)量較少的小型應(yīng)用程序。您可以通過指定命令行選項：-XX:+UseSerialGC，來啟用。
    2. 并行GC – 吞吐量收集器。它是使用多個線程來執(zhí)行垃圾收集的過程。您可以通過顯式指定選項：-XX:+UseParallelGC，來啟用。
    3. 并發(fā)GC – 如前文所述，垃圾收集過程在運行時，會暫停所有的線程。而并發(fā)GC的許多操作(并非所有)與應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)，存在著并發(fā)關(guān)系。在具有多個處理內(nèi)核的計算機上，應(yīng)用程序線程可以在收集的并發(fā)期間使用處理器，因此并發(fā)垃圾收集器線程不會暫停應(yīng)用程序。其效果當然會使得停頓的時間更短，但是應(yīng)用程序可用的處理器資源也會相應(yīng)地變得更少，而且可能出現(xiàn)降速，特別是當應(yīng)用程序正在最大限度地使用所有處理內(nèi)核時。通常有兩種并發(fā)GC可被選用：
    3.1垃圾優(yōu)先 – 它在滿足垃圾收集暫停時間目標的同時，實現(xiàn)了高吞吐量。您可以通過：-XX:+UseG1GC，來啟用它。
    3.2并發(fā)標記清掃 – 此收集器適用于那些追求更短的垃圾收集暫停時間，且能夠與垃圾收集共享處理器資源的應(yīng)用程序。您可以通過：-XX:+UseConcMarkSweepGC，來啟用它。不過從JDK 9開始，該GC類型不再被推薦使用。
    技巧和竅門
    • 為了最大程度地減少內(nèi)存的占用，請盡可能地限制變量的范圍。記住，在每次彈出棧頂部的作用域時，該作用域中的引用都會被丟失，并會導致對象被判定為適合垃圾收集。
    • 將過時的引用標記為null，以便讓此類引用對象適合垃圾收集。
    • 由于finalizer會減慢垃圾收集的過程，因此最好使用虛引用。
    • 不要在可以使用弱引用或軟引用之處使用強引用。最常見的內(nèi)存陷阱是??在緩存場景中，即使數(shù)據(jù)不在被需要，卻仍要保留在內(nèi)存中。
    • JVisualVM還具有在特定時間點進行堆轉(zhuǎn)儲的功能，因此您可以針對每個類分析其占用的內(nèi)存量。
    • 根據(jù)您的應(yīng)用程序需求來配置JVM。在運行應(yīng)用程序時，可明確指定JVM堆的尺寸，分配合理的初始和最大內(nèi)存量。您可以借鑒如下指定原則：
    1. 初始堆的尺寸 -Xms512m – 將初始堆的尺寸設(shè)置為512 MB。
    2. 最大堆的尺寸 -Xmx1024m – 將最大堆的尺寸設(shè)置為1024 MB。
    3. 線程棧大小 -Xss1m – 將線程棧的大小設(shè)置為1 MB。
    4. 新生大小 -Xmn256m – 將新生的大小設(shè)置為256 MB。
    • 如果Java應(yīng)用程序出現(xiàn)OutOfMemoryError，而且崩潰了，那么您可以使用–XX:HeapDumpOnOutOfMemory參數(shù)，來運行該過程。它將會在下一次發(fā)生此類錯誤時創(chuàng)建一個堆dump文件，以方便您收集到內(nèi)存泄漏的相關(guān)信息。
    • 請使用-verbose:gc選項，來獲取垃圾收集到的輸出。
    小結(jié)
    綜上所述，了解內(nèi)存的組織方式，您不但可以從內(nèi)存資源的合理使用角度，編寫出良好且經(jīng)過優(yōu)化的代碼，還可以通過優(yōu)化配置，來調(diào)整正在運行的JVM。此外，通過使用恰當?shù)墓ぞ?，您還可以輕松地修復各類程序中的內(nèi)存泄漏錯誤。
                                                    
    
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