Java内存管理基础

众所周之，Java最强大的地方之一就是其自动内存管理机制，也就不需要像C/C++语言那样，需要开发人员手动进行内存管理，需要时刻关注内存应该何时正确地被释放。自动内存管理机制将程序员从内存管理的凶险解脱出来，这将大大提升Java开发人员的生产力，但作为Java开发人员，即使不用直接面对内存管理，但却应该对JVM的内存管理机制有所掌握，对自己的编程能力也会有潜移默化的提升。本文将对JVM内存管理进行一番解读，实现主要是HotSpot Virtual Machine(J2SE 1.5)。

手动内存管理 VS 自动内存管理

内存管理的一个主要目标就是识别那些分配的对象不再需要，并且释放掉其所占用的内存空间，以供后续的内存分配使用。有一些编程语言，如C++，开发人员手动管理内存，这将很容易出现很多引起程序错误和崩溃的问题，比如悬挂引用，内存泄漏等，因此开发人员需要花费大量时间来调试和修复。

现在大多数现代面向对象编程语言中，已被广泛应用的另一种内存管理方法：自动内存管理， 其通过垃圾收集器(Garbage Collector)来实现内存管理。只要对象还有被引用，垃圾收集器将不会对其进行收集，从而避免了悬挂引用问题，一旦对象不再被引用，垃圾收集器将会在合适的时候对其进行收集，并释放对应的内存空间，因此避免了内存泄漏问题。

垃圾收集原理

通常垃圾收集器总体需要负责三件事情: 为对象分配内存，保证任何被引用的对象仍在内存中，清理程序中不可达的对象。当为新对象分配内存时，需要在堆中找出具有一定大小且未被使用的内存块，这是一件比较困难的事情，大多数动态内存分配算法的主要困难在于避免内存碎片化，并且同时需要保证内存分配和释放的性能。

理想的垃圾收集器

垃圾收集器必须是安全且全面的。也就是说，存活对象绝不能被错误释放，并且不允许垃圾对象经过多个垃圾收集周期仍然未被释放。

垃圾收集器也应该能够有效地运行，以至于不应该导致应用暂停太长时间。然而，对于大多数计算机相关的系统，都需要在时间，空间和频率等因素作出一些权衡。例如，若JVM堆设置过小，虽然每次垃圾收集会变得更快，但是总的垃圾收集次数也会更多；若JVM堆设置过大，虽然总的垃圾收集次数有所减少，但每次垃圾收集耗时也会更长。

垃圾收集器也需要针对内存碎片作一些处理，在垃圾收集过程中，对一些小对象回收后，有可能会产生很多空间较小的内存块，这些小内存块不能容纳下大对象，最坏的情况也就是即便内存还未使用完，但却不能再分配对象。清理碎片的过程叫压缩(Compaction)。

另外，可扩展性也是相当重要的，在多处理器系统中，对于多线程应用，内存分配不应该成为可扩展性瓶颈，收集操作也不应该成为这样的瓶颈。

如何设计或选择垃圾收集器

在设计或选择垃圾收集器时，通常需要作出一些选择:

串行 VS 并行

对于串行收集，同一时刻只能作一件事，比如，即使有多个CPU可用时，只有其中一个才能用于执行垃圾收集。当使用并行收集时，垃圾收集任务将被分成若干个子任务，并同时在不同的CPU上执行，并行执行使得垃圾收集执行得更快，但这也导致了额外的复杂度和内存碎片问题。

并发 VS Stop-the-world

当stop-the-world垃圾收集正在执行时，整个应用将被挂起，这对于强交互应用(要求低暂停时间短)并不友好，比如Web应用。相比stop-the-world，有一些垃圾收集器的收集任务可以与应用同时执行。典型的并发垃圾收集器会并发执行大部分垃圾工作，但仍然会有短暂的stop-the-world。显然，Stop-the-world垃圾收集比并发垃圾收集更简单，因为在整个收集过程中，JVM堆会被冻结，因而对象的状态将不会发生改变，但缺点也很明显，收集过程会挂起应用。相对于使用并发垃圾收集器时，应用暂停时间将被缩短，但需要额外注意一些细节，垃圾收集器在操作对象时，与此同时，有可能应用程序也在操作相同的对象，为了保证垃圾收集器不会错误地回收对象，则要增加一些额外影响性能的工作，并且需要更大的堆内存。

压缩 VS 复制

当垃圾收集器已经决定哪些对象存活及哪些对象需要回收之后，可以进行内存压缩，即将所有存活的对象移动到一起(连续)，然后完全释放掉需要回收的内存。内存压缩之后，就能够很容易且很快地将新对象分配在第一块空间内存中了，一个简单的指针就能跟踪下一个内存分配的位置。与内存压缩型收集器相比，非内存压缩收集器则利用额外的内存空间来回收垃圾对象，即不会像内存压缩型收集器一样将所有存活对象移动一起，以便释放出一大块空闲内存，这样的好处是垃圾收集时间更短，缺点则是潜在的内存碎片问题。通常来说，从堆中分配对象比压缩堆更昂贵，因为为了分配新对象，可能有必要在堆中寻找一段足够大的连续空间。第三个可选的则是复制收集器，即复制存活的对象到另一个内存区，这样的好处是保持源内存区是空闲的，可以很容易且很快地用于后续的对象分配，但缺点是需要额外的时间来执行复制操作和额外的内存空间。

性能指标

通常会使用几个指标来评估一个垃圾收集器的性能，包括：