【51CTO.com快译】朋友，您在使用Java进行编程时，是否了解过其调用内存的工作原理?总的说来，作为一个不错的静默式垃圾回收器，Java具有自动管理内存的功能，能够在后台工作，清理未使用的对象，并释放内存。话虽如此，如果您的程序设计不到位，Java的垃圾收集器和内存管理特性，恐怕也无法自动生效。
可见，了解内存在Java中的实际原理是至关重要的。它不但能够辅助您编写出高性能的应用程序，还能够尽量避免程序因OutOfMemoryError而崩溃;或者是在程序运行状况不佳时，协助您快速发现内存泄漏的原因。
下面，让我们首先来看一下Java语言中的内存组织结构：
如上图所示，内存通常被分为两大部分：栈和堆。请记住，该图片中的内存类型大小与实际内存大小并不成比例。也就是说：与栈相比，堆是更大块的内存。
栈(Stack)
栈内存既负责保存那些针对堆对象(heap objects)的引用，又负责保存各种值的类型，即：存储的是数值本身，而不是对堆中某个对象的引用。在Java中，我们称为原始类型(primitive types)。
另外，栈上的变量具有一定的可见性，我们称为范围(scope)。通常，只有活跃范围(active scope)中的对象，才可以被使用。例如：假设我们没有任何全局作用域的变量(或字段)，而只有局部的变量，那么如果编译器要执行某个方法的主体，就只能从栈中访问该方法主体内的对象。而且由于超出了范围，因此它无法访问其他局部变量。一旦该方法被执行完成并给出了返回，它就会弹出栈的顶部，并更改活跃范围。
也许您已经注意到，由于Java的栈内存是按照线程分配的，因此在上图中会有多个栈存储器。而且，程序在每次创建和启动一个线程时，都拥有自己的栈内存，无需也无法访问另一个线程的栈内存。
堆(Heap)
这部分的内存存储着实际对象，它们会被栈的变量所引用。让我们来看如下代码行：
- StringBuilder builder = new StringBuilder();
关键字new负责确保堆能够获取足够的可用空间。它在存储器中创建StringBuilder类型的对象，并通过“builder”的引用，其压入栈中。
由于每个正在运行的JVM进程只有一个堆内存，因此无论系统当前正在运行多少个线程，它们都会共享内存的指定部分。实际上，堆的真实结构与上图不尽相同，它会根据垃圾收集的过程，被分成几个部分。
而是否需要预定义栈和堆的最大容量，将完全取决于正在运行程序的计算机。在后面的讨论中，我们将研究JVM的相关配置，以便为正在运行的应用程序，显式地指定大小。
引用类型
如果仔细观察上述图片，您可能会注意到，来自于堆的、表示对象引用的箭头，实际上具有不同的类型。这是因为在Java编程语言中，我们具有不同类型的引用，即：强引用、弱引用、软引用、以及虚引用(phantom references)。引用类型之间的区别在于：堆上的对象在不同条件下，可以引用的垃圾回收有所不同。下面，我们来逐个进行讨论。
1.强引用
这是最流行，也是开发人员最常用的引用类型。在上述StringBuilder示例中，我们实际上对堆中的对象采取了强引用。堆上的对象不会被垃圾回收，而是有一个指向了它的强引用，或者通过一串强引用来获取该对象。
2.弱引用
弱引用可通过如下方式被创建：
- WeakReference reference = new WeakReference<>(new StringBuilder());
弱引用的一种最佳使用场景是缓存方案。设想，您检索了一些数据，并且希望将其存储在内存中，以便下次能够直接作出响应。当然，您并不确定何时或者是否有对该数据的请求。那么，您就可以对其采用弱引用，以免堆上的对象被垃圾收集器回收掉，以致在检索该对象时，返回null值。可见，WeakHashMap
- /**
- * The entries in this hash table extend WeakReference, using its main ref
- * field as the key.
- */
- private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
- V value;
一旦WeakHashMap中某个键被垃圾回收，那么整个条目就会从映射中被删除。
3.软引用
此类引用可用于那些对于内存非常敏感的方案。例如，只有在应用程序的内存不足时，该引用才会被垃圾回收。也就是说，不到迫不得已，垃圾收集器就不会处置软引用对应的对象。而且，Java的相关文档已提到了：在虚拟机抛出OutOfMemoryError之前，所有软引用的对象早已被清除了。
与弱引用类似，我们可以按照如下方式来创建软引用：
- SoftReference reference = new SoftReference<>(new StringBuilder());
4.虚引用
虚引用可被用于事后清理操作，毕竟我们可以确定对象已不复存在。此类引用的.get()方法将始终返回null。虚引用必须和引用队列(ReferenceQueue)一起使用。也就是说，当垃圾回收器准备回收某个对象时，如果发现它尚存有虚引用，就会在回收该对象的内存之前，把虚引用加入到与之相关联的引用队列中。
如何引用字符串
Java中的字符串(String)类型有些特殊，它是不可变的。这就意味着程序每次使用字符串进行操作时，实际上都会在堆上创建另一个对象。而对于字符串而言，由于Java管理着内存中的字符串池，因此Java会尽可能地存储和重用字符串。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");
- }
在上述代码被运行后，将会打印出：
字符串相等(Strings are equal)
可见，事实证明，在比较了String类型的两个引用之后，这些引用实际上指向的是堆上的相同对象。但是，这对于那些经过计算的字符串来说是无效的。例如：我们将上述代码的//1行更改为：
- String localPrefix = new Integer(297).toString(); //1
那么输出则变为：
字符串不同(Strings are different)
可见，在这种情况下，堆上有两个不同的对象。如果我们认为经过计算的字符串会经常被使用的话，则可以在经过计算的字符串末尾，添加.intern()方法来，强制JVM将其添加到字符串池中。如下代码再次修改了//1行：
- String localPrefix = new Integer(297).toString().intern(); //1
那么输出则变为：
字符串相等(Strings are equal)
垃圾收集程序
如前所述，根据栈中的变量被保存到堆中的对象所引用类型，在某个时间点，该对象将会成为垃圾收集器的“合格对象”。
如上图所示，所有红色的对象都有资格被垃圾收集器收集。您可能会注意到，堆上有一个对象具有其他对象的强引用(例如，既可以是对其进行引用的列表，又可以是具有两种引用类型字段的对象)。由于它丢失了在栈中的引用，程序无法再对其进行访问，因此它也成为了垃圾。
在向下更深入讨论之前，让我们先明确如下三点：
- 此过程由Java自动触发，并由Java决定何时、以及是否启动此过程。
- 当垃圾收集器运行时，应用程序中的所有线程都将暂停，因此该过程代价不菲。
- 该过程并非仅为垃圾收集和释放内存那么简单。
鉴于这是一个非常复杂的过程，并且可能会影响程序的性能，因此我们可以使用所谓的“标记和清扫(Mark and Sweep)”过程，即：让Java分析栈中的变量，并“标记”所有需要保持活跃状态的对象，然后清除所有未在使用的对象。显然，被标记为垃圾的对象越多，需要保持活跃的对象就越少，该过程就会越快。为了使之更加高效，我们可以使用Java JDK附带的工具—JvisualVM，来可视化内存的使用情况和其他实用的信息。当然，您需要安装一个名为Visual GC的插件，以查看到内存的实际结构。
如上图所示，我们创建了一个对象，并将其分配到Eden(1)空间上。由于Eden空间并不大，因此很快就会被填满。此时，垃圾收集器运行在Eden空间上，并将各个对象标记为活跃。
一旦某个对象在垃圾回收的过程中留存下来，它就将会被移到所谓的留存空间--S0(2)中。当垃圾收集器第二次在Eden空间上运行时，它会将所有留存的对象移到S1(3)空间中。同样，当前在S0(2)上的所有对象，也都被移到S1(3)空间中。如果一个对象经过n轮垃圾回收，仍被留存下来的话，那么它被视为需要持久存在，并被移入Old(4)空间。
至此，在垃圾回收器graph(6)中，您会看到各种对象在每一次运行后，被转移到留存空间，Eden空间同时也会重新产生。而Metaspace(5)可被用于让元数据存储JVM加载的各种类。
上述图片实际上是一个Java 8的应用程序。而在Java 8之前的版本中，内存结构会略有不同。metaspace实际上被称为PermGen空间。例如，在Java 6中，该空间还存储了字符串池的内存。因此，如果Java 6应用程序中的字符串过多，就可能会崩溃。
垃圾收集器(GC)的类型
实际上，JVM具有如下三种类型的垃圾收集器，可供开发人员进行选择。默认情况下，Java会根据实际环境中的底层硬件，来进行选用。
1. 串行GC – 单线程收集器。它通常适用于数据量较少的小型应用程序。您可以通过指定命令行选项：-XX:+UseSerialGC，来启用。
2. 并行GC – 吞吐量收集器。它是使用多个线程来执行垃圾收集的过程。您可以通过显式指定选项：-XX:+UseParallelGC，来启用。
3. 并发GC – 如前文所述，垃圾收集过程在运行时，会暂停所有的线程。而并发GC的许多操作(并非所有)与应用程序的业务，存在着并发关系。在具有多个处理内核的计算机上，应用程序线程可以在收集的并发期间使用处理器，因此并发垃圾收集器线程不会暂停应用程序。其效果当然会使得停顿的时间更短，但是应用程序可用的处理器资源也会相应地变得更少，而且可能出现降速，特别是当应用程序正在最大限度地使用所有处理内核时。通常有两种并发GC可被选用：
3.1垃圾优先 – 它在满足垃圾收集暂停时间目标的同时，实现了高吞吐量。您可以通过：-XX:+UseG1GC，来启用它。
3.2并发标记清扫 – 此收集器适用于那些追求更短的垃圾收集暂停时间，且能够与垃圾收集共享处理器资源的应用程序。您可以通过：-XX:+UseConcMarkSweepGC，来启用它。不过从JDK 9开始，该GC类型不再被推荐使用。
技巧和窍门
- 为了最大程度地减少内存的占用，请尽可能地限制变量的范围。记住，在每次弹出栈顶部的作用域时，该作用域中的引用都会被丢失，并会导致对象被判定为适合垃圾收集。
- 将过时的引用标记为null，以便让此类引用对象适合垃圾收集。
- 由于finalizer会减慢垃圾收集的过程，因此最好使用虚引用。
- 不要在可以使用弱引用或软引用之处使用强引用。最常见的内存陷阱是在缓存场景中，即使数据不在被需要，却仍要保留在内存中。
- JVisualVM还具有在特定时间点进行堆转储的功能，因此您可以针对每个类分析其占用的内存量。
- 根据您的应用程序需求来配置JVM。在运行应用程序时，可明确指定JVM堆的尺寸，分配合理的初始和最大内存量。您可以借鉴如下指定原则：
- 初始堆的尺寸 -Xms512m – 将初始堆的尺寸设置为512 MB。
- 最大堆的尺寸 -Xmx1024m – 将最大堆的尺寸设置为1024 MB。
- 线程栈大小 -Xss1m – 将线程栈的大小设置为1 MB。
- 新生大小 -Xmn256m – 将新生的大小设置为256 MB。
- 如果Java应用程序出现OutOfMemoryError，而且崩溃了，那么您可以使用–XX:HeapDumpOnOutOfMemory参数，来运行该过程。它将会在下一次发生此类错误时创建一个堆dump文件，以方便您收集到内存泄漏的相关信息。
- 请使用-verbose:gc选项，来获取垃圾收集到的输出。
小结
综上所述，了解内存的组织方式，您不但可以从内存资源的合理使用角度，编写出良好且经过优化的代码，还可以通过优化配置，来调整正在运行的JVM。此外，通过使用恰当的工具，您还可以轻松地修复各类程序中的内存泄漏错误。
原文标题：Java Memory Management，作者：Constantin Marian
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