Java 內存回收機制——GC機制
一、Java GC 概念說明
Java GC（Garbage Collection，垃圾收集，垃圾回收）機制，是Java與C++/C的主要區別之一，作為Java開發者，一般不需要專門編寫內存回收和垃圾清理代碼，對內存泄露和溢出的問題，也不需要像C程序員那樣戰戰兢兢。這是因為在Java虛擬機中，存在自動內存管理和垃圾清掃機制。概括地說，該機制對JVM（Java Virtual Machine）中的內存進行標記，並確定哪些內存需要回收，根據一定的回收策略，自動的回收內存，永不停息（Nerver Stop）的保證JVM中的內存空間，防止出現內存泄露和溢出問題。
Java GC機制主要完成3件事：確定哪些內存需要回收，確定什麽時候需要執行GC，如何執行GC。下面我們將從4個方面學習Java GC機制，1，內存是如何分配的；2，如何保證內存不被錯誤回收（即：哪些內存需要回收）；3，在什麽情況下執行GC以及執行GC的方式；4，如何監控和優化GC機制。
二、Java內存區域劃分
了解Java GC機制，必須先清楚在JVM中內存區域的劃分。在Java運行時的數據區裏，由JVM管理的內存區域分為下圖幾個模塊：
1. 程序計數器（Program Counter Register）
程序計數器是一個比較小的內存區域，用於指示當前線程所執行的字節碼執行到了第幾行，可以理解為是當前線程的行號指示器。字節碼解釋器在工作時，會通過改變這個計數器的值來取下一條語句指令。
每個程序計數器只用來記錄一個線程的行號，所以它是線程私有（一個線程就有一個程序計數器）的。
如果程序執行的是一個Java方法，則計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令地址；如果正在執行的是一個本地（native，由C語言編寫完成）方法，則計數器的值為Undefined，由於程序計數器只是記錄當前指令地址，所以不存在內存溢出的情況，因此，程序計數器也是所有JVM內存區域中唯一一個沒有定義OutOfMemoryError的區域。
2. Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）
一個線程的每個方法在執行的同時，都會創建一個棧幀（Statck Frame），棧幀中存儲的有局部變量表、操作站、動態鏈接、方法出口等，當方法被調用時，棧幀在JVM棧中入棧，當方法執行完成時，棧幀出棧。
局部變量表中存儲著方法的相關局部變量，包括各種基本數據類型，對象的引用，返回地址等。在局部變量表中，只有long和double類型會占用2個局部變量空間（Slot，對於32位機器，一個Slot就是32個bit），其它都是1個Slot。需要註意的是，局部變量表是在編譯時就已經確定好的，方法運行所需要分配的空間在棧幀中是完全確定的，在方法的生命周期內都不會改變。
虛擬機棧中定義了兩種異常，如果線程調用的棧深度大於虛擬機允許的最大深度，則拋出StatckOverFlowError（棧溢出）；不過多數Java虛擬機都允許動態擴展虛擬機棧的大小(有少部分是固定長度的)，所以線程可以一直申請棧，直到內存不足，此時，會拋出OutOfMemoryError（內存溢出）。
每個線程對應著一個虛擬機棧，因此虛擬機棧也是線程私有的。
3. 本地方法棧（Native Method Stacks）
本地方法棧在作用，運行機制，異常類型等方面都與虛擬機棧相同，唯一的區別是：虛擬機棧是執行Java方法的，而本地方法棧是用來執行native方法的，在很多虛擬機中（如Sun的JDK默認的HotSpot虛擬機），會將本地方法棧與虛擬機棧放在一起使用。
本地方法棧也是線程私有的。
4. 堆區（Heap）
堆區是理解Java GC機制最重要的區域，沒有之一。在JVM所管理的內存中，堆區是最大的一塊，堆區也是Java GC機制所管理的主要內存區域，堆區由所有線程共享，在虛擬機啟動時創建。堆區的存在是為了存儲對象實例，原則上講，所有的對象都在堆區上分配內存（不過現代技術裏，也不是這麽絕對的，也有棧上直接分配的）。
一般的，根據Java虛擬機規範規定，堆內存需要在邏輯上是連續的（在物理上不需要），在實現時，可以是固定大小的，也可以是可擴展的，目前主流的虛擬機都是可擴展的。如果在執行垃圾回收之後，仍沒有足夠的內存分配，也不能再擴展，將會拋出OutOfMemoryError:Java heap space異常。
5. 方法區（Method Area）
方法區是各個線程共享的區域，用於存儲已經被虛擬機加載的類信息（即加載類時需要加載的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、靜態變量、編譯器即時編譯的代碼等。
方法區在物理上也不需要是連續的，可以選擇固定大小或可擴展大小，並且方法區比堆還多了一個限制：可以選擇是否執行垃圾收集。一般的，方法區上執行的垃圾收集是很少的。但這也不代表著在方法區上完全沒有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是針對常量池的內存回收和對已加載類的卸載。
在方法區上進行垃圾收集，條件苛刻而且相當困難，效果也不令人滿意，所以一般不做太多考慮，可以留作以後進一步深入研究時使用。
在方法區上定義了OutOfMemoryError:PermGen space異常，在內存不足時拋出。
三、Java對象的訪問方式
一個Java的引用訪問涉及到3個內存區域：JVM棧，堆，方法區。
以最簡單的本地變量引用：Object obj = new Object()為例：
- Object obj表示一個本地引用，存儲在JVM棧的本地變量表中，表示一個reference類型數據；
- new Object()作為實例對象數據存儲在堆中；
- 堆中還記錄了Object類的類型信息（接口、方法、field、對象類型等）的地址，這些地址所執行的數據存儲在方法區中；
在Java虛擬機規範中，對於通過reference類型引用訪問具體對象的方式並未做規定，目前主流的實現方式主要有兩種：
1. 通過句柄訪問：
通過句柄訪問的實現方式中，JVM堆中會專門有一塊區域用來作為句柄池，存儲相關句柄所執行的實例數據地址（包括在堆中地址和在方法區中的地址）。這種實現方法由於用句柄表示地址，因此十分穩定。
2. 通過直接指針訪問：
通過直接指針訪問的方式中，reference中存儲的就是對象在堆中的實際地址，在堆中存儲的對象信息中包含了在方法區中的相應類型數據。這種方法最大的優勢是速度快，在HotSpot虛擬機中用的就是這種方式。
新生代、老年代、永久代：這三個類型的GC形式後續再進行總結，目前就寫到這裏 // TODO
目前需要仔細研究一下：https://www.zhihu.com/question/53613423
四、參考資料
《JAVA編程思想》第5章； 《Java深度歷險》Java垃圾回收機制與引用類型； 《深入理解Java虛擬機：JVM高級特效與最佳實現》，第2-3章； 成為JavaGC專家Part II — 如何監控Java垃圾回收機制, http://www.importnew.com/2057.html JDK5.0垃圾收集優化之--Don‘t Pause,http://calvin.iteye.com/blog/91905 【原】java內存區域理解-初步了解，http://iamzhongyong.iteye.com/blog/1333100 關於施用full gc頻繁的分析及解決：http://www.07net01.com/zhishi/383213.html
Java 內存回收機制——GC機制