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深入理解Java和Android中的内存管理（一）：虚拟机

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很多人认为程序的内存管理偏向操作系统层面，在做Android或者Java应用层的开发时不需要关心太多底层的问题，Java中的JVM或者Android中的Dalvik或ART已经做了大部分工作，不需要开发者了解太多细节。但是随着app功能的扩展，性能上的优化需要被提上日程，这使得开发者在做这些性能上的优化工作时不得不去深入地了解程序底层上内存管理上的细节，接下来我将着重介绍在应用开发过程中我们需要掌握的一些内存管理细节，但是也不会太过深入底层，做到先看森林再晓树木。
这个主题将定为如下三个部分：

  1. JVM，Dalvik，ART虚拟机的内存管理探究
  2. 基于Java内存模型深入理解Java并发机制
  3. 基于Jvm，Dalvik，ART内存管理机制探讨内存溢出，内存泄露及相关解决办法和内存性能优化总结

接下来将着重介绍第一部分：虚拟机

在这部分我们介绍的虚拟机跟操作系统的虚拟机(像virtual box或VMware）不一样，这里介绍的的虚拟机主要是程序的运行平台，Java为了实现跨平台，JDK在不同的操作系统上提供了同一套规范的JVM实现，从而达到一套代码，到处运行的目的。同理，在Android平台上的Dalvik和ART虚拟机也是类似，跟JVM性质是一样的，只是JVM处理的是基于字节码的class文件，而Dalvik虚拟机是处理基于Smalli的Dex文件。

JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。 JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码）,就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

Java运行过程

Java的整体运行流程如下图所示，Java源码（.java文件）通过javac命令将源码文件编译成字节码文件（.class文件）,接下来便进入虚拟机处理部分，首先会判断是否支持即时编译，如果支持则进入Jit（Just in time）编译器将字节码编译成机器码，如果不支持则进入解释器将字节码解释成机器码执行

内存分配

虚拟机是如何分配内存的，这是了解虚拟机最直接了当的方式，下图详细展示了JVM内存分配模式

程序计数器（线程私有）

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器。分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器完成。

由于 Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式实现的。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各线程之间的计数器互不影响，独立存储。

  1. 如果线程正在执行的是一个 Java 方法，计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；
  2. 如果正在执行的是 Native 方法，这个计数器的值为空。

程序计数器是唯一一个没有规定任何 OutOfMemoryError 的区域。

Java 虚拟机栈（线程私有）

Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）是线程私有的，生命周期与线程相同。
虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧（Stack Frame），存储

  1. 局部变量表
  2. 操作栈
  3. 动态链接
  4. 方法出口

每一个方法被调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

这个区域有两种异常情况：

  • StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度
  • OutOfMemoryError：虚拟机栈扩展到无法申请足够的内存时

本地方法栈（线程私有）

虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（字节码）服务。

本地方法栈（Native Method Stacks）为虚拟机使用到的 Native 方法服务。

Java 堆（线程共享）

Java 堆（Java Heap）是 Java 虚拟机中内存最大的一块。Java 堆在虚拟机启动时创建，被所有线程共享。

作用：存放对象实例。垃圾收集器主要管理的就是 Java 堆。Java 堆在物理上可以不连续，只要逻辑上连续即可。

方法区（线程共享）

方法区（Method Area）被所有线程共享，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

和 Java 堆一样，不需要连续的内存，可以选择固定的大小，更可以选择不实现垃圾收集。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。保存 Class 文件中的符号引用、翻译出来的直接引用。运行时常量池可以在运行期间将新的常量放入池中。

JVM的垃圾回收

垃圾回收（GC）一直是一个老生常谈的问题，但其实只需要搞清楚如下几个问题即可

  1. 垃圾回收在内存中的表现是怎样的？
  2. JVM什么时候触发垃圾回收?
  3. 哪些对象会被垃圾回收清理，原则是什么？

垃圾收集算法

  1. 标记-清除算法
  2. 复制算法
  3. 标记-整理算法
  4. 分代收集算法

标记-清除算法（Mark-Sweep）

什么是标记-清除算法？

分为标记和清除两个阶段。首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收被标记的对象。

有什么缺点？

  1. 效率问题。标记和清除过程的效率都不高。
  2. 空间问题。标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能导致，程序分配较大对象时无法找到足够的连续内存，不得不提前出发另一次垃圾收集动作。

复制算法（Copying）- 新生代

将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。当这一块的内存用完了，就将存活着的对象复制到另一块上面，然后再把已经使用过的内存空间一次清理掉。

优点？

复制算法使得每次都是针对其中的一块进行内存回收，内存分配时也不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。

缺点？

将内存缩小为原来的一半。在对象存活率较高时，需要执行较多的复制操作，效率会变低。

应用？

商业的虚拟机都采用复制算法来回收新生代。因为新生代中的对象容易死亡，所以并不需要按照1:1的比例划分内存空间，而是将内存分为一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间。每次使用 Eden 和其中的一块 Survivor。

当回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活的对象一次性拷贝到另外一块 Survivor 空间上，最后清理掉 Eden 和刚才用过的 Survivor 空间。Hotspot 虚拟机默认 Eden 和 Survivor 的大小比例是8:1，也就是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%（80% + 10%），只有10%的内存是会被“浪费”的。

标记-整理算法（Mark-Compact）-老年代

标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。

分代收集算法

根据对象的存活周期，将内存划分为几块。一般是把 Java 堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点，采用最适当的收集算法。

新生代：每次垃圾收集时会有大批对象死去，只有少量存活，所以选择复制算法，只需要少量存活对象的复制成本就可以完成收集。

老年代：对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法进行回收。

堆内存的划分

为什么要将堆内存分区？

对于一个大型的系统，当创建的对象及方法变量比较多时，即堆内存中的对象比较多，如果逐一分析对象是否该回收，效率很低。分区是为了进行模块化管理，管理不同的对象及变量，以提高 JVM 的执行效率。

堆内存分为哪几块？

  • Young Generation Space 新生区（也称新生代）

  • Tenure Generation Space养老区（也称旧生代）

  • Permanent Space 永久存储区

分代收集算法

内存分配有哪些原则？

  1. 对象优先分配在 Eden
  2. 大对象直接进入老年代
  3. 长期存活的对象将进入老年代
  4. 动态对象年龄判定
  5. 空间分配担保

Young Generation Space （采用复制算法）

主要用来存储新创建的对象，内存较小，垃圾回收频繁。这个区又分为三个区域：一个 Eden Space 和两个 Survivor Space。

当对象在堆创建时，将进入年轻代的Eden Space。

  • 垃圾回收器进行垃圾回收时，扫描Eden Space和A Suvivor Space，如果对象仍然存活，则复制到B Suvivor Space，如果B Suvivor Space已经满，则复制 Old Gen

  • 扫描A Suvivor Space时，如果对象已经经过了几次的扫描仍然存活，JVM认为其为一个Old对象，则将其移到Old Gen。

  • 扫描完毕后，JVM将Eden Space和A Suvivor Space清空，然后交换A和B的角色（即下次垃圾回收时会扫描Eden Space和B Suvivor Space。

Tenure Generation Space（采用标记-整理算法）

  • 主要用来存储长时间被引用的对象。它里面存放的是经过几次在 Young Generation Space 进行扫描判断过仍存活的对象，内存较大，垃圾回收频率较小。

Permanent Space

  • 存储不变的类定义、字节码和常量等。

回收对象

  1. 引用计数法

  2. 根搜索算法

什么是引用计数法？

给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它，计数器就+1,；当引用失效时，计数器就-1；任何时刻计数器都为0的对象就是不能再被使用的。

引用计数法的缺点？

很难解决对象之间的循环引用问题。

什么是根搜索算法？

通过一系列的名为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连（用图论的话来说就是从 GC Roots 到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。

Java 的4种引用方式？

在 JDK 1.2 之后，Java 对引用的概念进行了扩充，将引用分为

  • 强引用 Strong Reference

Object obj = new Object();
代码中普遍存在的，像上述的引用。只要强引用还在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。

  • 软引用 Soft Reference

用来描述一些还有用，但并非必须的对象。软引用所关联的对象，有在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围，并进行第二次回收。如果这次回收还是没有足够的内存，才会抛出内存异常。提供了 SoftReference 类实现软引用。

  • 弱引用 Weak Reference

描述非必须的对象，强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象，只能生存到下一次垃圾收集发生前。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。提供了 WeakReference 类来实现弱引用。

  • 虚引用 Phantom Reference

一个对象是否有虚引用，完全不会对其生存时间够成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。为一个对象关联虚引用的唯一目的，就是希望在这个对象被收集器回收时，收到一个系统通知。提供了 PhantomReference 类来实现虚引用。

由于对象进行了分代处理，因此垃圾回收区域、时间也不一样。GC有两种类型：Scavenge GC和Full GC。

Scavenge GC:
一般情况下，当新对象生成，并且在Eden申请空间失败时，就会触发Scavenge GC，对Eden区域进行GC，清除非存活对象，并且把尚且存活的对象移动到Survivor区。然后整理Survivor的两个区。这种方式的GC是对年轻代的Eden区进行，不会影响到年老代。因为大部分对象都是从Eden区开始的，同时Eden区不会分配的很大，所以Eden区的GC会频繁进行。因而，一般在这里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能尽快空闲出来。

Full GC:
对整个堆进行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因为需要对整个堆进行回收，所以比Scavenge GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC的次数。在对JVM调优的过程中，很大一部分工作就是对于FullGC的调节。有如下原因可能导致Full GC：

  1. 年老代（Tenured）被写满
  2. 持久代（Perm）被写满
  3. System.gc()被显示调用
  4. 上一次GC之后Heap的各域分配策略动态变化

Dalvik，ART虚拟机

什么是Dalvik？

Dalvik是Google公司自己设计用于Android平台的Java虚拟机。Dalvik虚拟机是Google等厂商合作开发的Android移动设备平台的核心组成部分之一。它可以支持已转换为 .dex（即Dalvik Executable）格式的Java应用程序的运行，.dex格式是专为Dalvik设计的一种压缩格式，适合内存和处理器速度有限的系统。Dalvik 经过优化，允许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例，并且每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux 进程执行。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。

什么是ART？

Android操作系统已经成熟，Google的Android团队开始将注意力转向一些底层组件，其中之一是负责应用程序运行的Dalvik运行时。Google开发者已经花了两年时间开发更快执行效率更高更省电的替代ART运行时。 ART代表Android Runtime，其处理应用程序执行的方式完全不同于Dalvik，Dalvik是依靠一个Just-In-Time (JIT)编译器去解释字节码。开发者编译后的应用代码需要通过一个解释器在用户的设备上运行，这一机制并不高效，但让应用能更容易在不同硬件和架构上运 行。ART则完全改变了这套做法，在应用安装时就预编译字节码到机器语言，这一机制叫Ahead-Of-Time (AOT）编译。在移除解释代码这一过程后，应用程序执行将更有效率，启动更快。

Dalvik和JVM有啥关系？

主要区别：

  • Dalvik是基于寄存器的，而JVM是基于栈的。
  • Dalvik运行dex文件，而JVM运行java字节码

自Android 2.2开始，Dalvik支持JIT（just-in-time，即时编译技术）。

优化后的Dalvik较其他标准虚拟机存在一些不同特性:

  1. 占用更少空间
  2. 为简化翻译，常量池只使用32位索引
  3. 标准Java字节码实行8位堆栈指令,Dalvik使用16位指令集直接作用于局部变量。局部变量通常来自4位的“虚拟寄存器”区。这样减少了Dalvik的指令计数，提高了翻译速度。

当Android启动时，Dalvik VM 监视所有的程序（APK），并且创建依存关系树，为每个程序优化代码并存储在Dalvik缓存中。Dalvik第一次加载后会生成Cache文件，以提供下次快速加载，所以第一次会很慢。

Dalvik解释器采用预先算好的Goto地址，每个指令对内存的访问都在64字节边界上对齐。这样可以节省一个指令后进行查表的时间。为了强化功能, Dalvik还提供了快速翻译器（Fast Interpreter）。

一般来说,基于堆栈的机器必须使用指令才能从堆栈上的加载和操作数据,因此,相对基于寄存器的机器，它们需要更多的指令才能实现相同的性能。但是基于寄存器机器上的指令必须经过编码,因此,它们的指令往往更大。

Dalvik虚拟机既不支持Java SE 也不支持Java ME类库(如：Java类,AWT和Swing都不支持)。 相反,它使用自己建立的类库（Apache Harmony Java的一个子集）。

ART有什么优缺点呢？

优点：

  1. 系统性能的显著提升。
  2. 应用启动更快、运行更快、体验更流畅、触感反馈更及时。
  3. 更长的电池续航能力。
  4. 支持更低的硬件。

缺点：

  1. 机器码占用的存储空间更大，字节码变为机器码之后，可能会增加10%-20%（不过在应用包中，可执行的代码常常只是一部分。比如最新的 Google+ APK 是 28.3 MB，但是代码只有 6.9 MB。）
  2. 应用的安装时间会变长。

tips：现在智能手机大部分都可以让用户选择使用Dalvik还是ART模式。当然默认还是使用Dalvik模式。
用法：设置-辅助功能-开发者选项（开发人员工具）-选择运行环境（不同的手机设置的步骤可能不一样）。

Dalvik和ART的几点区别

  • dalvik是执行的时候编译+运行，安装比较快，开启应用比较慢，应用占用空间小
    ART是安装的时候就编译好了，执行的时候直接就可以运行的，安装慢，开启应用快，占用空间大
  • 用个比喻来说就是，骑自行车,dalvik 是已经折叠起来的自行车，每次骑都要先组装自行车才能骑
    ART 是已经组装好的自行车，每次骑直接上车就能走人

Android App从源码到机器码的运行过程