JVM内存模型
Java内存模型（Java Memory Model ,JMM）就是一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。
从图中可以看出来，Java数据区域分为五大数据区域。这些区域各有各的用途，创建及销毁时间。
1、程序计数器
程序计数器是一块很小的内存空间，它是线程私有的，可以认作为当前线程的行号指示器。为了线程切换可以恢复到正确执行位置，每个线程都需有独立的一个程序计数器。
注意：如果线程执行的是个java方法，那么计数器记录虚拟机字节码指令的地址。如果为native【底层方法】，那么计数器为空。这块内存区域是虚拟机规范中唯一没有OutOfMemoryError的区域。
2、虚拟机栈（Java栈）
也为线程私有，生命周期与线程相同。
每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧用于存储局部变量表，操作栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法被调用的过程就对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。【栈先进后出，下图栈1先进最后出来】
局部变量表:一片连续的内存空间，用来存放方法参数，以及方法内定义的局部变量，存放着编译期间已知的数据类型(八大基本类型和对象引用(reference类型),returnAddress类型。它的最小的局部变量表空间单位为Slot，虚拟机没有指明Slot的大小，但在jvm中，long和double类型数据明确规定为64位，这两个类型占2个Slot，其它基本类型固定占用1个Slot。
reference类型:与基本类型不同的是它不等同本身，即使是String，内部也是char数组组成，它可能是指向一个对象起始位置指针，也可能指向一个代表对象的句柄或其他与该对象有关的位置。
returnAddress类型:指向一条字节码指令的地址
操作数栈
操作数栈（Operand Stack）也常被称为操作栈，它是一个后入先出（Last In First Out，LIFO）栈。操作数栈的每一个元素都可以是包括long和double在内的任意Java数据类型。32位数据类型所占的栈容量为1，64位数据类型所占的栈容量为2。
动态链接
每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接（Dynamic Linking）。Class文件的常量池中存有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池里指向方法的符号引用作为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用的时候就被转化为直接引用，这种转化被称为静态解析。另外一部分将在每一次运行期间都转化为直接引用，这部分就称为动态连接。
方法的返回地址
当一个方法开始执行后，只有两种方式退出这个方法：
正常调用完成:执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者（调用当前方法的方法称为调用者或者主调方法），方法是否有返回值以及返回值的类型将根据遇到何种方法返回指令来决定
异常调用完成:在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到妥善处理。无论是Java虚拟机内部产生的异常，还是代码中使用athrow字节码指令产生的异常，只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出。
在方法退出之后，都必须返回到最初方法被调用时的位置，程序才能继续执行，方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层主调方法的执行状态。
3、本地方法栈
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，其区别只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本地（Native）方法服务。
本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常
4、堆
堆是java虚拟机管理内存最大的一块内存区域，因为堆存放的对象是线程共享的，所以多线程的时候也需要同步机制。因此需要重点了解下。
java虚拟机规范对这块的描述是:所有对象实例及数组都要在堆上分配内存，但随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术的成熟，这个说法也不是那么绝对，但是大多数情况都是这样的。
即时编译器:可以把把Java的字节码，包括需要被解释的指令的程序）转换成可以直接发送给处理器的指令的程序)
逃逸分析:通过逃逸分析来决定某些实例或者变量是否要在堆中进行分配，如果开启了逃逸分析，即可将这些变量直接在栈上进行分配，而非堆上进行分配。这些变量的指针可以被全局所引用，或者其其它线程所引用。
注意:它是所有线程共享的，它的目的是存放对象实例。同时它也是GC所管理的主要区域，因此常被称为GC堆，又由于现在收集器常使用分代算法，Java堆中还可以细分为新生代和老年代，再细致点还有Eden(伊甸园)空间之类的不做深究。
根据虚拟机规范，Java堆可以存在物理上不连续的内存空间，就像磁盘空间只要逻辑是连续的即可。它的内存大小可以设为固定大小，也可以扩展。
当前主流的虚拟机如HotPot都能按扩展实现(通过设置 -Xmx和-Xms)，如果堆中没有内存内存完成实例分配，而且堆无法扩展将报OOM错误(OutOfMemoryError)
5、方法区
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型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常
运行时常量池
是方法区的一部分，class文件除了有类的字段、接口、方法等描述信息之外，还有常量池用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。
GC
GC简介
Java GC泛指java的垃圾回收机制，该机制是java与C/C++的主要区别之一，我们在日常写java代码的时候，一般都不需要编写内存回收或者垃圾清理的代码，也不需要像C/C++那样做类似delete/free的操作。
java内存模型中分为五大区域已经有所了解。我们知道程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈，由线程而生，随线程而灭，其中栈中的栈帧随着方法的进入顺序的执行的入栈和出栈的操作，一个栈帧需要分配多少内存取决于具体的虚拟机实现并且在编译期间即确定下来【忽略JIT编译器做的优化，基本当成编译期间可知】，当方法或线程执行完毕后，内存就随着回收，因此无需关心。
而Java堆、方法区则不一样。方法区存放着类加载信息，但是一个接口中多个实现类需要的内存可能不太一样，一个方法中多个分支需要的内存也可能不一样【只有在运行期间才可知道这个方法创建了哪些对象没需要多少内存】，这部分内存的分配和回收都是动态的，gc关注的也正是这部分的内存。
堆的回收区域
为了高效的回收，jvm将堆分为三个区域
1、新生区（伊甸园区（对象都是在这个区new出来的）、幸存区to、幸存区from：幸存区位置会互相交换，谁空谁是to）
2、老年区
3、永久区：存储的是java的运行环境或类信息，这个区域不存在垃圾回收，关闭jvm就会释放内存
一个启动类加载大量的jar包。tomcat部署太多应用。内存满了就oom
jdk1.6之前：永久代，常量池是在方法区
jdk1.7去永久代，常量池在堆中
jdk1.8之后：无永久代，常量池在元空间中
判断对象是否存活算法
1.引用计数算法
早期判断对象是否存活大多都是以这种算法，这种算法判断很简单，简单来说就是给对象添加一个引用计数器，每当对象被引用一次就加1，引用失效时就减1。当为0的时候就判断对象不会再被引用。
优点:实现简单效率高，被广泛使用与如python何游戏脚本语言上。
缺点:难以解决循环引用的问题，就是假如两个对象互相引用已经不会再被其它其它引用，导致一直不会为0就无法进行回收。
2.可达性分析算法
目前主流的商用语言[如java、c#]采用的是可达性分析算法判断对象是否存活。这个算法有效解决了循环利用的弊端。
它的基本思路是通过一个称为“GC Roots”的对象为起始点，搜索所经过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用跟它连接则证明对象是不可用的。
可作为GC Roots的对象有四种
①虚拟机栈(栈桢中的本地变量表)中的引用的对象。
②方法区中的类静态属性引用的对象，一般指被static修饰引用的对象，加载类的时候就加载到内存中。
③方法区中的常量引用的对象,
④本地方法栈中JNI（native方法)引用的对象
要真正宣告对象死亡需经过两个过程。
1.可达性分析后没有发现引用链
2.查看对象是否有finalize方法，如果有重写且在方法内完成自救[比如再建立引用]，还是可以抢救一下，注意这边一个类的finalize只执行一次，这就会出现一样的代码第一次自救成功第二次失败的情况。[如果类重写finalize且还没调用过，会将这个对象放到一个叫做F-Queue的序列里，这边finalize不承诺一定会执行，这么做是因为如果里面死循环的话可能会时F-Queue队列处于等待，严重会导致内存崩溃，这是我们不希望看到的。]
枚举根节点算法
GC Roots 被虚拟机用来判断对象是否存活
可作为GC Roos的节点主要是在一些全局引用【如常量或静态属性】、执行上下文【如栈帧中本地变量表】中。那么如何在这么多全局变量和本地变量表找到【枚举】根节点将是个问题。
可达性分析算法需考虑
1.如果方法区几百兆，一个个检查里面的引用，将耗费大量资源。
2.在分析时，需保证这个对象引用关系不再变化，否则结果将不准确。【因此GC进行时需停掉其它所有java执行线程(Sun把这种行为称为‘Stop the World’)，即使是号称几乎不会停顿的CMS收集器，枚举根节点时也需停掉线程】
解决办法:实际上当系统停下来后JVM不需要一个个检查引用，而是通过OopMap数据结构【HotSpot的叫法】来标记对象引用。
虚拟机先得知哪些地方存放对象的引用，在类加载完时。HotSpot把对象内什么偏移量什么类型的数据算出来，在jit编译过程中，也会在特定位置记录下栈和寄存器哪些位置是引用，这样GC在扫描时就可以知道这些信息。【目前主流JVM使用准确式GC】
OopMap可以帮助HotSpot快速且准确完成GC Roots枚举以及确定相关信息。但是也存在一个问题，可能导致引用关系变化。
这个时候有个safepoint(安全点)的概念。
HotSpot中GC不是在任意位置都可以进入，而只能在safepoint处进入。 GC时对一个Java线程来说，它要么处在safepoint,要么不在safepoint。
safepoint不能太少，否则GC等待的时间会很久
safepoint不能太多，否则将增加运行GC的负担
安全点主要存放的位置
1:循环的末尾
2:方法临返回前/调用方法的call指令后
3:可能抛异常的位置
垃圾收集算法
JVM中，可达性分析算法帮我们解决了哪些对象可以回收的问题，垃圾收集算法则关心怎么回收。
三大垃圾收集算法
1.标记/清除算法【最基础】
2.复制算法
3.标记/整理算法
jvm采用分代收集算法对不同区域采用不同的回收算法。
新生代采用复制算法
新生代中因为对象都是"朝生夕死的"，【深入理解JVM虚拟机上说98%的对象,不知道是不是这么多，总之就是存活率很低】，适用于复制算法【复制算法比较适合用于存活率低的内存区域】。它优化了标记/清除算法的效率和内存碎片问题，且JVM不以5:5分配内存【由于存活率低，不需要复制保留那么大的区域造成空间上的浪费，因此不需要按1:1【原有区域:保留空间】划分内存区域，而是将内存分为一块Eden空间和From Survivor、To Survivor【保留空间】，三者默认比例为8:1:1，优先使用Eden区，若Eden区满，则将对象复制到第二块内存区上。但是不能保证每次回收都只有不多于10%的对象存货，所以Survivor区不够的话，则会依赖老年代年存进行分配】。
GC开始时，对象只会存于Eden和From Survivor区域，To Survivor【保留空间】为空。
GC进行时，Eden区所有存活的对象都被复制到To Survivor区，而From Survivor区中，仍存活的对象会根据它们的年龄值决定去向，年龄值达到年龄阈值(默认15是因为对象头中年龄战4bit，新生代每熬过一次垃圾回收，年龄+1)，则移到老年代，没有达到则复制到To Survivor。
老年代采用标记/清除算法或标记/整理算法
由于老年代存活率高，没有额外空间给他做担保，必须使用这两种算法。
1、标记/清除算法
标记/清除算法的基本思想就跟它的名字一样，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所有被标记的对象。
标记阶段：标记的过程其实就是前面介绍的可达性分析算法的过程，遍历所有的GC Roots对象，对从GC Roots对象可达的对象都打上一个标识，一般是在对象的header中，将其记录为可达对象；
清除阶段：清除的过程是对堆内存进行遍历，如果发现某个对象没有被标记为可达对象（通过读取对象header信息），则将其回收。
标记清除算法.jpg
上图是标记/清除算法的示意图，在标记阶段，从对象GC Root 1可以访问到B对象，从B对象又可以访问到E对象，因此从GC Root 1到B、E都是可达的，同理，对象F、G、J、K都是可达对象；到了清除阶段，所有不可达对象都会被回收。
在垃圾收集器进行GC时，必须停止所有Java执行线程（也称"Stop The World"），原因是在标记阶段进行可达性分析时，不可以出现分析过程中对象引用关系还在不断变化的情况，否则的话可达性分析结果的准确性就无法得到保证。在等待标记清除结束后，应用线程才会恢复运行。
前面刚提过，后续的收集算法是在标记/清除算法的基础上进行改进而来的，那也就是说标记/清除算法有它的不足。其实了解了它的原理，其缺点也就不难看出了。
1、效率问题。标记和清除两个阶段的效率都不高，因为这两个阶段都需要遍历内存中的对象，很多时候内存中的对象实例数量是非常庞大的，这无疑很耗费时间，而且GC时需要停止应用程序，这会导致非常差的用户体验。
2、空间问题。标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片（从上图可以看出），内存空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾回收动作。
既然标记/清除算法有这么多的缺点，那它还有存在的意义吗？别急，一个算法有缺陷，人们肯定会想办法去完善它，接下来的两个算法就是在标记/清除算法的基础上完善而来的。
2、复制算法
为了解决效率问题，复制算法出现了。复制算法的原理是：将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活的对象复制到另一块内存上，然后把这一块内存所有的对象一次性清理掉。用图说明如下：
回收前
回收后
复制算法每次都是对整个半区进行内存回收，这样就减少了标记对象遍历的时间，在清除使用区域对象时，不用进行遍历，直接清空整个区域内存，而且在将存活对象复制到保留区域时也是按地址顺序存储的，这样就解决了内存碎片的问题，在分配对象内存时不用考虑内存碎片等复杂问题，只需要按顺序分配内存即可。
复制算法简单高效，优化了标记/清除算法的效率低、内存碎片多的问题。但是它的缺点也很明显：
1、将内存缩小为原来的一半，浪费了一半的内存空间，代价太高；
2、如果对象的存活率很高，极端一点的情况假设对象存活率为100%，那么我们需要将所有存活的对象复制一遍，耗费的时间代价也是不可忽视的。
基于以上复制算法的缺点，由于新生代中的对象几乎都是“朝生夕死”的（达到98%），现在的商业虚拟机都采用复制算法来回收新生代。由于新生代的对象存活率低，所以并不需要按照1：1的比例来划分内存空间，而是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的From Survivor空间、To Survivor空间，三者的比例为8：1：1。每次使用Eden和From Survivor区域，To Survivor作为保留空间。GC开始时，对象只会存在于Eden区和From Survivor区，To Survivor区是空的。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）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。
3、标记/整理算法
复制算法在对象存活率较高时要进行较多的复制操作，效率会变得很低，更关键的是，如果不想浪费50%的内存空间，就需要有额外的内存空间进行分配担保，以应对内存中对象100%存活的极端情况，因此，在老年代中由于对象的存活率非常高，复制算法就不合适了。根据老年代的特点，高人们提出了另一种算法：标记/整理算法。从名字上看，这种算法与标记/清除算法很像，事实上，标记/整理算法的标记过程任然与标记/清除算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行回收，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线以外的内存。
回收前：
回收后：
可以看到，回收后可回收对象被清理掉了，存活的对象按规则排列存放在内存中。这样一来，当我们给新对象分配内存时，jvm只需要持有内存的起始地址即可。标记/整理算法不仅弥补了标记/清除算法存在内存碎片的问题，也消除了复制算法内存减半的高额代价，可谓一举两得。但任何算法都有缺点，就像人无完人，标记/整理算法的缺点就是效率也不高，不仅要标记存活对象，还要整理所有存活对象的引用地址，在效率上不如复制算法。
弄清了以上三种算法的原理，下面我们来从几个方面对这几种算法做一个简单排行。
效率：复制算法 > 标记/整理算法 > 标记/清除算法（标记/清除算法有内存碎片问题，给大对象分配内存时可能会触发新一轮垃圾回收）
内存整齐率：复制算法 = 标记/整理算法 > 标记/清除算法
内存利用率：标记/整理算法 = 标记/清除算法 > 复制算法
从上面简单的评估可以看出，标记/清除算法已经比较落后了，但是吃水不忘挖井人，它是后面几种算法的前辈、是基础，在某些场景下它也有用武之地。
4、分代收集算法
当前商业虚拟机都采用分代收集算法，说它是终极算法，是因为它结合了前几种算法的优点，将算法组合使用进行垃圾回收，与其说它是一种新的算法，不如说它是对前几种算法的实际应用。分代收集算法的思想是按对象的存活周期不同将内存划分为几块，一般是把Java堆分为新生代和老年代（还有一个永久代，是HotSpot特有的实现，其他的虚拟机实现没有这一概念，永久代的收集效果很差，一般很少对永久代进行垃圾回收），这样就可以根据各个年代的特点采用最合适的收集算法。
新生代：朝生夕灭，存活时间很短。
老年代：经过多次Minor GC而存活下来，存活周期长。
在新生代中每次垃圾回收都发现有大量的对象死去，只有少量存活，因此采用复制算法回收新生代，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成收集；而老年代中对象的存活率高，不适合采用复制算法，而且如果老年代采用复制算法，它是没有额外的空间进行分配担保的，因此必须使用标记/清理算法或者标记/整理算法来进行回收。
总结一下就是，分代收集算法的原理是采用复制算法来收集新生代，采用标记/清理算法或者标记/整理算法收集老年代。
垃圾收集器
如果说垃圾回收算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是具体实现。jvm会结合针对不同的场景及用户的配置使用不同的收集器。
年轻代收集器
Serial、ParNew、Parallel Scavenge
老年代收集器
Serial Old、Parallel Old、CMS收集器
特殊收集器
G1收集器[新型，不在年轻、老年代范畴内]