内存结构

方法区和堆是所有线程共享的内存区域；而java栈、本地方法栈和程序员计数器是运行是线程私有的内存区域。

Java堆（Heap）,是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
方法区（Method Area）,方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。
程序计数器（Program Counter Register）,程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
JVM栈（JVM Stacks）,与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它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同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
本地方法栈（Native Method Stacks）,本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

通常我们定义一个基本数据类型的变量，一个对象的引用，还有就是函数调用的现场保存都使用JVM中的栈空间；而通过new关键字和构造器创建的对象则放在堆空间，堆是垃圾收集器管理的主要区域，由于现在的垃圾收集器都采用分代收集算法，所以堆空间还可以细分为新生代和老生代，再具体一点可以分为Eden、Survivor（又可分为From Survivor和To Survivor）、Tenured；方法区和堆都是各个线程共享的内存区域，用于存储已经被JVM加载的类信息、常量、静态变量、JIT编译器编译后的代码等数据；程序中的字面量（literal）如直接书写的100、”hello”和常量都是放在常量池中，常量池是方法区的一部分，。栈空间操作起来最快但是栈很小，通常大量的对象都是放在堆空间，栈和堆的大小都可以通过JVM的启动参数来进行调整，栈空间用光了会引发StackOverflowError，而堆和常量池空间不足则会引发OutOfMemoryError。

类加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载器

启动类加载器：Bootstrap ClassLoader，负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库
扩展类加载器：Extension ClassLoader，该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载DK\jre\lib\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.*开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器：Application ClassLoader，该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器

类加载原理

JVM中类的装载是由类加载器（ClassLoader）和它的子类来实现的，Java中的类加载器是一个重要的Java运行时系统组件，它负责在运行时查找和装入类文件中的类。

由于Java的跨平台性，经过编译的Java源程序并不是一个可执行程序，而是一个或多个类文件。当Java程序需要使用某个类时，JVM会确保这个类已经被加载、连接（验证、准备和解析）和初始化。类的加载是指把类的.class文件中的数据读入到内存中，通常是创建一个字节数组读入.class文件，然后产生与所加载类对应的Class对象。加载完成后，Class对象还不完整，所以此时的类还不可用。当类被加载后就进入连接阶段，这一阶段包括验证、准备（为静态变量分配内存并设置默认的初始值）和解析（将符号引用替换为直接引用）三个步骤。最后JVM对类进行初始化，包括：

如果类存在直接的父类并且这个类还没有被初始化，那么就先初始化父类；
如果类中存在初始化语句，就依次执行这些初始化语句。

类的加载是由类加载器完成的，类加载器包括：根加载器（BootStrap）、扩展加载器（Extension）、系统加载器（System）和用户自定义类加载器（java.lang.ClassLoader的子类）。

从Java 2（JDK 1.2）开始，类加载过程采取了父亲委托机制（PDM）。PDM更好的保证了Java平台的安全性，在该机制中，JVM自带的Bootstrap是根加载器，其他的加载器都有且仅有一个父类加载器。类的加载首先请求父类加载器加载，父类加载器无能为力时才由其子类加载器自行加载。JVM不会向Java程序提供对Bootstrap的引用。下面是关于几个类加载器的说明：

Bootstrap：一般用本地代码实现，负责加载JVM基础核心类库（rt.jar）；
Extension：从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，它的父加载器是Bootstrap；
System：又叫应用类加载器，其父类是Extension。它是应用最广泛的类加载器。它从环境变量classpath或者系统属性java.class.path所指定的目录中记载类，是用户自定义加载器的默认父加载器。

类生命周期

加载，查找并加载类的二进制数据，在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象
连接，连接又包含三块内容：验证、准备、初始化。
1. 验证，文件格式、元数据、字节码、符号引用验证；
2. 准备，为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值；
3. 解析，把类中的符号引用转换为直接引用
初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值
使用，new出对象程序中使用
卸载，执行垃圾回收

对象

创建过程

JVM遇到一条新建对象的指令时首先去检查这个指令的参数是否能在常量池中定义到一个类的符号引用。然后加载这个类
为对象分配内存。一种办法“指针碰撞”、一种办法“空闲列表”，最终常用的办法“本地线程缓冲分配(TLAB)”
将除对象头外的对象内存空间初始化为0
对对象头进行必要设置

对象组成

由三个部分组成,对象头、实例数据、对齐填充。

对象头由两部分组成

存储对象自身的运行时数据：哈希码、GC分代年龄、锁标识状态、线程持有的锁、偏向线程ID（一般占32/64 bit）。
指针类型，指向对象的类元数据类型（即对象代表哪个类）。如果是数组对象，则对象头中还有一部分用来记录数组长度。

实例数据用来存储对象真正的有效信息（包括父类继承下来的和自己定义的）

对齐填充：JVM要求对象起始地址必须是8字节的整数倍（8字节对齐）

垃圾回收

判断对象可以被回收

判断对象是否存活一般有两种方式：

引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。
可达性分析（Reachability Analysis）：从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的，不可达对象。

引用分类

强引用：GC时不会被回收
软引用：描述有用但不是必须的对象，在发生内存溢出异常之前被回收
弱引用：描述有用但不是必须的对象，在下一次GC时被回收
虚引用（幽灵引用/幻影引用）:无法通过虚引用获得对象，用PhantomReference实现虚引用，虚引用用来在GC时返回一个通知。

回收算法

GC最基础的算法有三种：标记 -清除算法、复制算法、标记-压缩算法，我们常用的垃圾回收器一般都采用分代收集算法。

标记 -清除算法，“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一样，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掉所有被标记的对象。
复制算法，“复制”（Copying）的收集算法，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
标记-压缩算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存
分代收集算法，“分代收集”（Generational Collection）算法，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。

分代

新生代（Young）

新生成的对象优先存放在新生代中，新生代对象朝生夕死，存活率很低，在新生代中，常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收70% ~ 95% 的空间，回收效率很高。

HotSpot将新生代划分为三块，一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，默认比例为8：1：1。划分的目的是因为HotSpot采用复制算法来回收新生代，设置这个比例是为了充分利用内存空间，减少浪费。新生成的对象在Eden区分配（大对象除外，大对象直接进入老年代），当Eden区没有足够的空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。

GC开始时，对象只会存在于Eden区和From Survivor区，To Survivor区是空的（作为保留区域）。GC进行时，Eden区中所有存活的对象都会被复制到To Survivor区，而在From Survivor区中，仍存活的对象会根据它们的年龄值决定去向，年龄值达到年龄阀值（默认为15，新生代中的对象每熬过一轮垃圾回收，年龄值就加1，GC分代年龄存储在对象的header中）的对象会被移到老年代中，没有达到阀值的对象会被复制到To Survivor区。接着清空Eden区和From Survivor区，新生代中存活的对象都在To Survivor区。接着， From Survivor区和To Survivor区会交换它们的角色，也就是新的To Survivor区就是上次GC清空的From Survivor区，新的From Survivor区就是上次GC的To Survivor区，总之，不管怎样都会保证To Survivor区在一轮GC后是空的。GC时当To Survivor区没有足够的空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时，需要依赖老年代进行分配担保，将这些对象存放在老年代中。

老年代（Old）

在新生代中经历了多次（具体看虚拟机配置的阀值）GC后仍然存活下来的对象会进入老年代中。老年代中的对象生命周期较长，存活率比较高，在老年代中进行GC的频率相对而言较低，而且回收的速度也比较慢。

永久代（Permanent）

永久代存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据，对这一区域而言，Java虚拟机规范指出可以不进行垃圾收集，一般而言不会进行垃圾回收。

垃圾回收不会发生在永久代，如果永久代满了或者是超过了临界值，会触发完全垃圾回收(Full GC)。如果你仔细查看垃圾收集器的输出信息，就会发现永久代也是被回收的。这就是为什么正确的永久代大小对避免Full GC是非常重要的原因。请参考下Java8：从永久代到元数据区 (注：Java8中已经移除了永久代，新加了一个叫做元数据区的native内存区)

垃圾回收器

串行垃圾回收器

GC线程只有一个，它会暂停所有工作线程，一个一个内存区域来收集，不适合服务器环境。通过JVM命令-XX:+UseSerialGC可以使用串行垃圾回收器。串行回收器也有两种：1.Serial：只对新生代使用；2.Serial Old：只对老年代使用，采用的算法不一样（一般作为CMS的替补）

并行垃圾回收器

GC使用多线程进行垃圾回收。通过JVM命令-XX:+UseParallGC可以使用并行垃圾回收器。并行回收器有三种：1.ParNew，作用于新生代； 2.Parallel Scavenge 作用于新生代，但以吞吐量为主；3.Parallel Old，作用于老年代，也已吞吐量为主，配合2使用。

并发标记扫描垃圾回收器（CMS）

多线程，标记清理（Full GC的时候用）通过JVM命令 -XX:+UseConcMarkSweepGC使用，主要用于老生代，策略为：

年老代只有两次短暂停，其他时间应用程序与收集线程并发的清除。采用两次短暂停来替代标记整理算法的长暂停，它的收集周期：

初始标记(CMS-initial-mark) -> 并发标记(CMS-concurrent-mark) -> 重新标记(CMS-remark)-> 并发清除(CMS-concurrent-sweep) ->并发重设状态等待下次CMS的触发(CMS-concurrent-reset)。

它的主要适合场景是对响应时间的重要性需求大于对吞吐量的要求，能够承受垃圾回收线程和应用线程共享处理器资源，并且应用中存在比较多的长生命周期的对象的应用。但CMS收集算法在最为耗时的内存区域遍历时采用多线程并发操作，对于服务器CPU资源不够的情况下，其实对性能是没有提升的，反而会导致系统吞吐量的下降；

G1垃圾回收器

适用于堆内存很大的情况，它将对内存分割成不同的区域，并且并发的对其进行回收，回收后对剩余内存压缩，标记整理，服务器端适用。

缺点：

相较于CMS，G1还不具备全方位、压倒性优势。比如在用户程序运行过程中，G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用（Footprint）还是程序运行时的额外执行负载（overload）都要比CMS要高。
从经验上来说，在小内存应用上CMS的表现大概率会优于G1，而G1在大内存应用，上则发挥其优势。平衡点在6一8GB之间。

对象分配规则

对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够的空间时，虚拟机执行一次Minor GC。
大对象直接进入老年代（大对象是指需要大量连续内存空间的对象）。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。
长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器，如果对象经过了1次Minor GC那么对象会进入Survivor区，之后每经过一次Minor GC那么对象的年龄加1，知道达到阀值对象进入老年区。
动态判断对象的年龄。如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代。
空间分配担保。每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置，如果true则只进行Monitor GC,如果false则进行Full GC。

Minor GC与Full GC

新生代GC（Minor GC）：Minor GC指发生在新生代的GC，因为新生代的Java对象大多都是朝生夕死，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。当Eden空间不足以为对象分配内存时，会触发Minor GC。

老年代GC（Full GC/Major GC）：Full GC指发生在老年代的GC，出现了Full GC一般会伴随着至少一次的Minor GC（老年代的对象大部分是Minor GC过程中从新生代进入老年代），比如：分配担保失败。Full GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。当老年代内存不足或者显式调用System.gc()方法时，会触发Full GC。