Java 元编程（内存分配与管理）

引言

本文讨论了 Java 编程中的内存分配和内存管理。文章描述了 Java 编程之外的内容，以及每个编程词的实际影响。之后，讨论了垃圾回收的细节。

阅读完本文后，您将熟悉 Java 应用程序中的内存管理，并能预见您的代码对内存使用的积极和消极影响。

数据类型

Java 编程语言有两种不同的数据类型：原始数据类型和非原始（引用）数据类型。每种类型在内存中的存储和处理方式都不同。

原始数据类型

在 Java 中，有 8 种原始数据类型（boolean、byte、short、int、long、float、double、char）。根据这些数据类型创建的变量存储在栈中。它们的处理方式与 C、C++ 中旧式变量类似。变量在声明后即在栈中创建并存储。变量作用域（块、函数等）结束后，变量将被销毁，其位置将被释放。

图 1 中的代码执行后，会创建一个栈位置，如图 2 所示。

函数 `myFunction` 结束后，栈内存中的位置将被移除。这种栈分配用于在函数或块中声明为局部变量的原始变量。作为对象一部分的原始属性将像对象本身一样被处理。对象（非原始数据类型）的处理将在下一节中描述。

非原始（引用）数据类型

Java 中变量的大部分（作为纯面向对象编程语言）是引用对象部分。引用对象类型是

• 内置包装类（Boolean、Integer、Long……）
• 其他内置类（String、Object……）
• 任何用户定义的类

引用对象由两部分组成：引用对象存储在栈中，被引用的对象（实际位置）存储在堆中。下图描述了对象声明和初始化的影响。

图 3 中的代码片段运行后，栈内存将受到图 4 所示的影响。

如果您现在尝试使用此对象，您将收到一个空指针异常，因为引用“X”到目前为止没有指向任何内存位置。

图 5 中的代码片段在堆中为该学生对象分配了内存位置。

现在，实际对象的位置存储在堆内存中，一个保存该位置地址的引用存储在栈中。这有点像 C 和 C++ 中的指针，但有一些区别，例如，在 Java 中，您无法控制指针移动到不同的内存位置，如 C 中那样，这些指针的管理由 JVM 负责。

此规则适用于 Java 中的所有非原始对象。数组也被视为非原始对象。数组的引用存储在栈中，而实际的数组节点在堆中分配。此规则解释了为什么开发人员在初始化数组时（即使是原始数据类型的数组）需要调用“`new`”，如图 7 所示。

`String` 类是 Java 中类的一个特殊情况。您可以通过图 8 中所示的一种方式定义字符串对象。

为了简单起见，Java 允许您在不调用“`new`”的情况下定义 `String` 对象，如图 8 中的“`y1`”对象所示。但是图 8 中定义的两个变量都有一个栈中的引用对象，以及一个堆位置，其中包含实际的字符串值。

虽然 `String` 类是不可变的，但对象值的任何更改都会导致在堆中预留新的位置，而旧的位置将保持无引用。图 9 和图 10 展示了示例代码及其在内存位置上的体现。

“John”对象现在不需要了，因为没有引用指向它。这一点引出了“垃圾回收”这个话题。

垃圾回收

垃圾回收是 Java 提供的一种功能，用于管理内存并在堆内存中处理所有非原始对象。垃圾收集器是一个低优先级线程，会不时运行，检查是否有已使用的内存位置且没有引用指向这些位置。垃圾收集器将这些已使用的位置返回为堆空闲位置，并在需要时进行重用。在图 9 和图 10 的字符串示例中，“John”内存位置可以进行垃圾回收，因为没有对象引用它，而“Ali”和“Adams”则不能，因为它们被对象“`x1`”和“`y1`”使用。

在垃圾回收释放对象到内存之前，“`finalize()`”函数会自动调用该对象。Java 提供此功能是为了让开发人员有机会执行一些析构操作（释放资源等）。

垃圾回收的执行与主应用程序的执行并行进行，因此开发人员无法强制垃圾收集器工作，只能通过“`System.gc()`”推荐垃圾执行。虽然开发人员有多种内存管理方式，但其中一种方式是设置启动和最大堆大小，如图 11 所示。

如果我们查看堆内存的详细信息，我们会发现 JVM 将堆内存划分为三个主要部分，如图 12 所示。

如图 12 所示，堆内存由“年轻代”、“老年代”和“永久代”组成。永久代不用于应用程序对象，因此不在垃圾回收范围内。新对象在第一个阶段（Eden 区）插入年轻代区域。每隔一段时间，垃圾回收会执行一次小型回收活动；如果对象在后续的小型回收后仍然有引用，对象将被移动到 S1，然后如果仍然被使用，则移动到 S2。

同时，会不时执行一次主要的回收过程（这会占用主应用程序的一些性能时间，因为它比小型回收活动更复杂）。如果对象仍然需要，它将被移到“老年代”区域。这些年轻代和老年代的比例可以通过 JVM 参数来管理，如图 13 所示，这意味着年轻代:老年代的比例为 1:2。

参考文献

• Cay S.Horstmann, Gary Cornell, “Core Java 2”, Sun Microsystems。
• Java Education and Technology Services, http://jets.iti.gov.eg。
• http://javarevisited.blogspot.com/2011/04/garbage-collection-in-java.html

历史

• 版本 1：2012 年 4 月 15 日，初始版本。