第八章：内存管理

8.1 JVM 运行机制

Java 程序的执行依赖于 Java 虚拟机（JVM）。JVM 负责将字节码转换成可以在操作系统上运行的机器代码，并提供一些重要的功能，包括内存管理、垃圾回收等。

8.1.1 ClassLoader

ClassLoader 是 JVM 的一部分，负责加载类文件。在 JVM 启动时，ClassLoader 会从文件系统或网络中加载类。它遵循一套父子加载机制，在加载时会按照指定的加载顺序搜索类。

ClassLoader 有几个常用类型：

• Bootstrap ClassLoader：加载 JDK 核心库。

• Extension ClassLoader：加载 JDK 扩展目录下的类。

• Application ClassLoader：加载应用程序的类路径下的类。

8.1.2 运行时数据区

JVM 内部的内存被划分为几个区域，每个区域有特定的功能。主要的内存区域包括：

• 方法区：存储类的元数据（如类的信息、方法、常量池等）。

• 堆：存储对象实例，是垃圾回收的主要区域。堆可以被细分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。

• 栈：存储局部变量和方法调用栈帧，每个线程都会有自己的栈。

• 程序计数器：指示当前线程所执行的字节码指令的地址。

• 本地方法栈：用于支持 native 方法的执行。

8.2 垃圾回收（GC）机制

Java 中的垃圾回收（GC）机制负责自动管理内存的回收，主要通过回收不再使用的对象来释放内存空间。GC 的目标是避免内存泄漏并优化内存的使用。

8.2.1 垃圾回收过程

• 标记（Mark）：识别出哪些对象是可达的。

• 清除（Sweep）：删除不可达的对象，回收内存。

• 压缩（Compact）：压缩内存，防止内存碎片。

8.2.2 垃圾回收的几种算法

• 复制算法：将内存划分为两个区域，活动区域与空闲区域，每次回收时将存活对象复制到空闲区域。

• 标记-清除算法：首先标记所有存活对象，然后清除未标记的对象。

• 标记-整理算法：标记存活对象后，通过整理内存区域来消除碎片。

• 分代回收算法：将堆分为年轻代、老年代和永久代，不同代采用不同的回收策略。

8.2.3 垃圾回收器

Java 提供了多种垃圾回收器，常见的包括：

• Serial GC：单线程垃圾回收器，适用于内存较小的单核机器。

• Parallel GC：多线程垃圾回收器，适用于多核机器。

• CMS GC：低延迟垃圾回收器，适用于对响应时间要求较高的应用。

• G1 GC：分代收集垃圾回收器，适用于大内存应用，能够更好地控制暂停时间。

8.3 强引用、软引用、弱引用、虚引用

在 Java 中，引用对象有多种类型，这些引用类型决定了对象的回收时机。

8.3.1 强引用（Strong Reference）

最常见的引用类型，即普通的对象引用。如果一个对象有强引用，则垃圾回收器不会回收该对象。

Object obj = new Object();  // obj 是强引用

8.3.2 软引用（Soft Reference）

软引用是一种可以在系统内存不足时被垃圾回收器回收的引用类型。软引用通常用于缓存，保证对象在内存充足时可以保留，在内存不足时回收。

SoftReference<MyObject> softRef = new SoftReference<>(new MyObject());

8.3.3 弱引用（Weak Reference）

弱引用比软引用更弱，只有弱引用的对象在垃圾回收时会被回收。即使系统内存没有不足，垃圾回收器也会回收弱引用指向的对象。

WeakReference<MyObject> weakRef = new WeakReference<>(new MyObject());

8.3.4 虚引用（Phantom Reference）

虚引用是最弱的引用类型，虚引用不能通过其引用对象来访问，主要用于跟踪垃圾回收器的回收过程。当垃圾回收器准备回收一个对象时，虚引用会被通知。

PhantomReference<MyObject> phantomRef = new PhantomReference<>(new MyObject(), referenceQueue);

8.4 内存泄漏与优化

8.4.1 内存泄漏的定义

内存泄漏是指程序中有些对象不再使用，但由于某些原因（如不当的引用保持），这些对象无法被垃圾回收器回收，导致内存占用不断增加，最终可能导致系统崩溃。

8.4.2 内存泄漏的常见原因

• 静态集合类：静态集合类常常因为全局存在而无法回收对象。

• Listener 和 Callback：未能移除注册的监听器或回调函数。

• ThreadLocal：线程局部变量未被清理。

• 数据库连接池和文件句柄：未关闭的连接或资源未释放。

8.4.3 内存泄漏的优化

• 定期清理无用对象：例如在缓存使用完后清理不再需要的缓存对象。

• 手动管理资源：对于数据库连接、IO 流等资源，确保在使用完后关闭。

• 使用 WeakReference：对于某些缓存对象，可以使用软引用或弱引用，允许垃圾回收器在需要时回收它们。

• 代码审查和工具检测：使用内存分析工具（如 jmap、jvisualvm）进行内存泄漏检测。

总结

• JVM 运行机制：JVM 负责类的加载和内存的管理，堆内存和栈内存是两种关键内存区域，垃圾回收机制优化了内存使用。

• 垃圾回收（GC）：通过标记、清理和压缩等步骤回收内存，Java 提供了多种回收算法和回收器。

• 引用类型：Java 提供了强引用、软引用、弱引用和虚引用，控制对象的回收时机。

• 内存泄漏与优化：内存泄漏常因不当引用、资源未释放等引起，应通过清理无用对象、使用弱引用、手动管理资源等手段优化内存使用。

内存管理是 Java 编程中的重要课题，理解 JVM 的工作机制、垃圾回收机制和内存管理的细节，能帮助开发者编写更加高效、健壮的应用程序。