引言：更多相关请看 JVM+GC解析系列

jVM体系结构

JVM位置

JVM运行在操作系统之上，与硬件无直接交互。其中运行时数据区的方法区和堆是所有线程共享，Java栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有。

类加载器子系统：从文件系统或者网络中加载Class信息（从class文件中加载Class信息）。
方法区：存放加载的Class信息，可能会放运行时常量信息（包括字符串常量和数字常量），还有静态对象和方法。
堆：JVM启动时创建，Java程序最主要的内存工作区域，被所有线程共享，存放几乎所有的Java对象和成员变量。
直接内存：是在堆外，直接向系统申请的空间，读的速度比堆快，读写频繁的操作建议使用直接内存。理论来说大小不受限，但系统空间有限，堆和直接内存的大小总和受限于操作系统能给出的最大内存。
GC垃圾回收系统：可以直接对方法区、堆、直接内存进行内存回收，其中堆是GC的工作重点。java中所有的对象空间释放都是隐式的，GC在后台默默运行，自动查找、表示、清除垃圾对象，完成对堆、方法区、直接内存的自动化管理。
栈：帧，线程私有，线程启动时创建，存放局部变量，方法参数。与方法的调用创建（创建栈）返回（关闭栈）有关。和（数据结构）栈的特性有关，先进后出。
本地方法栈：和栈类似，不同是栈是由java方法调用，而本地方法栈是由本地方法native method（一个java调用非java代码的接口，用native修饰，通常由其它语言编写，如C）调用。
PC计数器（Program Counter）：PC寄存器，线程私有，一个java线程在任意时刻都在执行一个方法（当前方法），如果执行不是本地方法，PC寄存器就指向当前执行的指令；是执行本地方法，那PC寄存器的值就是undefined。简单来说就是区分当前方法是否为本地方法或java方法。保存有当前正在执行的JVM指令的地址。
执行引擎：JVM最核心组件之一，负责执行字节码。为提高性能，JVM会使用即时编译JIT技术先将字节码编译成机器码之后再执行。引擎分为Server和Client。
Server：启动名为C2的重量级编译器，编译更彻底，性能更高。目的是在服务器环境中减少提高程序执行速度。
Client：启动名为C1的轻量级编译器，目的是为了在客户端环境中减少启动时间。
注意：在部分JDK1.6版本以及之后的64位版本中，已经不提供Client引擎了，Server成为唯一。重点是堆和GC。

类装载器

ClassLoader：负责加载class文件，class文件在文件开头有特定文件标示，且ClassLoader只负责class文件的加载，是否可以运行，则由 Execution Engine决定。使用echo %JAVA_HOME%、echo %PATH%、echo %CLASSPATH%（classpath在1.8之后不用配置）验证环境配置。

分类
1.虚拟机自带加载器：启动类加载器（Bootstrap）C++、扩展类加载器（Extension）Java 、应用程序类加载器（AppClassLoader）Java（也叫系统类加载器，加载当前应用的 classpath的所有类。
2.用户自定义加载器，Java.lang.ClassLoader的子类，用户可以定制类的加载方式。）
Code案例：sun.misc.Launcher，是一个java虚拟机的入口应用。

堆体系结构

Heap堆：一个JVM实例只存在一个堆内存，被所有线程共享，堆内存大小是可调节。 类加载器读取类文件后，需把类、方法、常变量放到堆内存中，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：
Young Generation Space新生区：Young/New
Tenure generation space养老区：Old/Tenure
Permanent Space永久区：Perm（Java8后被称为元空间metadata）
Heap堆(Java7之前) ：一个JVM实例只存在一个堆内存，堆内存大小可调节。类加载器读取类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行。堆内存逻辑上分为三部分：新生+养老+永久（默认经过15次GC才能进入）。

新生区

是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区又分为两部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区 （Survivor pace），所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个： 0区 （Survivor 0 space）和1区（Survivor 1 space）（有的也被称为一区和二区）。当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC)，将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0区。若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区。如果1区也满了，再次垃圾回收，满足条件后再移动到养老区。若养老区也满了，那这个时候使用MajorGC（FullGC），进行养老区的内存清理。若养老区执行Full GC后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常“OutOfMemoryError”。 如果出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常，说明 Java虚拟机的堆内存不够。原因有二：
（1）Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。
（2）代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存 在被引用）。
Hotspot内存管理

新生区

养老区

永久区

永久存储区是一个常驻内存区域，存放JDK自身所携带的 Class,Interface 的元数据，它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭 JVM 才会释放此区域所占用的内存。如出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，说明是Java 虚拟机对永久代Perm内存设置不够。一般出现这种情况，都是程序启动需要加载大量的第三方jar包。如：一个Tomcat部署太多的应用。或者大量动态反射生成的类不断被加载，最终导致Perm区被占满。
Jdk1.6及之前：有永久代, 常量池1.6在方法区。
Jdk1.7：有永久代，但已经逐步“去永久代”，常量池1.7在堆。
Jdk1.8及之后：无永久代，常量池1.8在元空间。
实际上，方法区（Method Area）和堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存储虚拟机加载的：类信息+普通常量+静态常量+编译器编译后的代码等等，虽然JVM规范将方法。 区描述为堆的一个逻辑部分，但它却还有一个别名叫做Non-Heap(非堆)，目的就是要和堆分开。对于HotSpot虚拟机，很多开发者习惯将方法区称之为“永久代(Parmanent Gen)”，严格本质上说两者不同，或者说使用永久代来实现方法区而已，永久代是方法区(相当于是一个接 口interface)的一个实现，jdk1.7的版本中，已经将原本放在永久代的字符串常量池移走。
常量池（Constant Pool）是方法区的一部分，Class文件除了有类的版本、字段、方法、 接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

GC分代收集算法

GC作用域

次数上频繁收集Young区、次数上较少收集Old区、基本不动Perm区/持久区（Java8被称为元空间Metadata）。
回收器是对算法的具体实现，算法是垃圾回收的方法论。
Minor GC（Scavenge）:次收集，清理年轻代，Eden区满了就会触发一次Minor GC。清理无用对象，将有用对象复制到“Survivor1”、“Survivor2”区(两个区大小空间也相同，同一时刻Survivor1和Survivor2只有一个在用，一个为空)。一般GC时间很短。
Major GC：清理年老代区域。
Full GC：全收集。清理年轻代、年老代区域。一般超过3-5秒时间就太长了。成本较高，会影响性能。性能优化主要是优化Full GC。

引用计数法

复制算法(Copying)

年轻代中使用的是Minor GC，这种GC算法采用的是复制算法(Copying)

Minor GC会把Eden中的所有活的对象都移到Survivor区域中，如果Survivor区中放不下，那么剩下的活的对象就被移到Old generation中，也即一旦收集后，Eden是就变成空的了。当对象在Eden(包括一个Survivor区域，这里假设是 from 区域 ) 出生后，在经过一次 Minor GC 后，如果对象还存活，并且能够被另外一块 Survivor 区域所容纳(上面已经假设为from区域，这里应为to（谁空谁是to）区域，即to区域有足够的内存空间来存储Eden和from区域中存活的对象)，则使用复制算法将这些仍然还存活的对象复制到另外一块 Survivor 区域 ( 即 to 区域 ) 中，然后清理所使用过的 Eden 以及 Survivor 区域 ( 即 from 区域 )，并且将这些对象的年龄设置为1，以后对象在 Survivor 区每熬过一次 Minor GC，就将对象的年龄+1，当对象的年龄达到某个值时 ( 默认是 15岁/次，通过-XX:MaxTenuringThreshold来设定参数)，这些对象就会成为老年代。
-XX:MaxTenuringThreshold — 设置对象在新生代中存活的次数。

解释

年轻代GC，主要是复制算法（Copying） HotSpot JVM把年轻代分为了三部分：1个Eden区和2个Survivor区（分别叫from和to）。默认比例为8:1:1,一般情况下，新创建的对象都会被分配到Eden区(一些大对象特殊处理),这些对象经过第一次Minor GC后，如果仍然存活，将会被移到Survivor区。对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC，年龄就会增加1岁，当它的年龄增加到一定程度时，就会被移动到年老代中。因为年轻代中的对象基本都是朝生夕死的(90%以上)，所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法，复制算法的基本思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产生内存碎片。

在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区，Survivor区“To”是空的。紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到“To”，而在“From”区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。经过这次GC后，Eden区和From区已经被清空。这个时候，“From”和“To”会交换他们的角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎样，都会保证名为To的Survivor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。

因为Eden区对象一般存活率较低，一般的，使用两块10%的内存作为空闲和活动区间，而另外80%的内存，则是用来给新建对象分配内存的。一旦发生GC，将10%的from活动区间与另外80%中存活的eden对象转移到10%的to空闲区间，接下来，将之前90%的内存全部释放，以此类推。

劣势

复制算法它的缺点也是相当明显的。(占用内存、对象存活率高会浪费时间)
1、它浪费了一半的内存，这太要命了。
2、如果对象的存活率很高，我们可以极端一点，假设是100%存活，那么我们需要将所有对象都复制一遍，并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间，在对象存活率达到一定程度时，将会变的不可忽视。 所以从以上描述不难看出，复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行，而且最重要的是，我们必须要克服50%内存的浪费。

标记清除(Mark-Sweep)

老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。

原理

劣势

效率低、空间不连续。
1、首先，它的缺点就是效率比较低（递归与全堆对象遍历），而且在进行GC的时候，需要停止应用程序，这会导致用户体验非常差劲。
2、其次，主要的缺点则是这种方式清理出来的空闲内存是不连续的，死亡对象都是随即的出现在内存的各个角落的，现在把它们清除之后，内存的布局自然会乱七八糟。而为了应付这一点，JVM就不得不维持一个内存的空闲列表，这又是一种开销。而且在分配数组对象的时候，寻找连续的内存空间会不太好找。

标记压缩(Mark-Compact)

老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。

原理

在整理压缩阶段，不再对标记的对像做回收，而是通过所有存活对像都向一端移动，然后直接清除边界以外的内存。可看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被清理掉。如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。标记/整理算法不仅可以弥补标记/清除算法当中，内存区域分散的缺点，也消除了复制算法当中，内存减半的高额代价

劣势

效率低。
标记/整理算法唯一的缺点就是效率也不高，不仅要标记所有存活对象，还要整理所有存活对象的引用地址。从效率上来说，标记/整理算法要低于复制算法。

标记清除压缩(Mark-Sweep-Compact)

小总结

内存效率：复制算法>标记清除算法>标记整理算法（此处的效率只是简单的对比时间复杂度，实际情况不一定如此）。
内存整齐度：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。
可以看出，效率上来说，复制算法是当之无愧的老大，但是却浪费了太多内存，而为了尽量兼顾上面所提到的三个指标，标记/整理算法相对来说更平滑一些，但效率上依然不尽如人意，它比复制算法多了一个标记的阶段，又比标记/清除多了一个整理内存的过程。
难道就没有一种最优算法吗？
回答：无，没有最好的算法，只有最合适的算法。==========>分代收集算法。
年轻代(Young Gen)
年轻代特点是区域相对老年代较小，对像存活率低。这种情况复制算法的回收整理，速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对像大小有关，因而很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题，通过hotspot中的两个survivor的设计得到缓解。
老年代(Tenure Gen)
老年代的特点是区域较大，对像存活率高。这种情况，存在大量存活率高的对像，复制算法明显变得不合适。一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。Mark阶段的开销与存活对像的数量成正比，这点上说来，对于老年代，标记清除或者标记整理有一些不符，但可以通过多核/线程利用，对并发、并行的形式提标记效率。
Sweep阶段的开销与所管理区域的大小形正相关，但Sweep“就地处决”的特点，回收的过程没有对像的移动。使其相对其它有对像移动步骤的回收算法，仍然是效率最好的。但是需要解决内存碎片问题。Compact阶段的开销与存活对像的数据成开比，如上一条所描述，对于大量对像的移动是很大开销的，做为老年代的第一选择并不合适。
基于上面的考虑，老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。以hotspot中的CMS回收器为例，CMS是基于Mark-Sweep实现的，对于对像的回收效率很高，而对于碎片问题，CMS采用基于Mark-Compact算法的Serial Old回收器做为补偿措施：当内存回收不佳（碎片导致的Concurrent Mode Failure时），将采用Serial Old执行Full GC以达到对老年代内存的整理。