程序计数器

指向当前线程正在执行的字节码指令的地址

虚拟机栈

存储当前运行方法所需的数据、指令、返回地址

栈帧

• 局部变量表
• 操作数栈
• 动态链接
• 完成出口

大小限制

-Xss

本地方法栈

方法区

• 类信息(类加载器加载在运行时数据区的方法区)
• 常量
• 静态变量
• 即时编译期编译后的代码

Java堆

• 实例对象(几乎所有实例对象)
• 数组

Java堆的大小参数设置
- Xmx  堆区内存可被分配的最大上限
- Xms  堆区内存初始内存分配的大小

方法区和Java堆都是线程共享的，为什么不用一份，而是要区分方法区和Java堆？
从线程共享区域需要存放的数据的特性考虑，类信息、常量、静态变量、编译后的代码等等这些数据属于使用频次高、变更较少且回收效率低，难度大；而实例对对象和数组，大部分生命周期较短，频繁在创建和销毁；综上线程共享区域采用了动静分离的思想，拆分出了方法区和Java堆，便于垃圾回收的高效

JDK 1.7 之前 方法区称为永久代 JDK 1.8 之后 方法区称为元空间

从底层深入理解运行时数据区

1. 申请内存(初始化Java栈、Java堆、方法区的的大小和内存分配)
2. 类加载(class进入方法区)
3. 常量、静态变量等(常量声明、静态常量等进入方法区)
4. 虚拟机栈(入栈帧)
5. 对象创建和内存分配

Java栈的作用

以栈帧的方式存储方法调用的过程，并存储方法调用过程中基本数据类型的变量以及对象引用的变量，变量出了作用域就会自动释放

Java堆的作用

堆内存用于存储Java中的对象，无论是成员变量、局部变量还是类变量，它们指向的对象都存储在堆内存中

线程共享还是线程独享

• 栈内存是归属于单个线程，每个线程都会有一个栈内存，其存储的变量只能在其所属线程中可见，即栈内存可以理解成线程的私有内存

• 堆内存中的对象对所有线程可见，堆内存中的对象可以被所有线程访问

空间大小

• 栈的内存空间要远远小于堆内存，栈的深度是有限制的，可能发生StackOverFlowError问题

内存溢出

• 栈溢出
• 堆溢出
• 方法区溢出
• 本机直接内存溢出

虚拟机优化技术

编译优化技术

• 方法内联 减少虚拟机栈帧入栈和出栈

栈的优化技术

• 栈帧之间数据共享

类加载以后在什么时候卸载和回收？

1. 类的所有实例都已回收
2. 加载该类的类加载器已被回收
3. 该类的class对象没有任何地方被引用，且无法通过反射访问该类的方法

同时满足以上条件，该类达到可被回收的前置条件，最后还需要JVM参数控制配合(-Xnoclassgc 禁用类的垃圾收集参数没有配置)

垃圾回收器

内存分配：

常规内存模型

• 新生代(包含Eden[8]、From[1]、To[1]三部分)：占堆空间的1/3
• 老年代：占堆空间的2/3

G1内存模型

将内存划分为若干等大小的块，并将每个或某几个块分别标记为以下不同的区域进行对象的储存

• Eden 存放新创建的对象
• Old 存放内存中存活时间较长的对象
• Survior 存放前几次GC后存活的对象
• Humongous 存放大对象

为什么要将对空间划分为新生代、老年代或者按块分割？
其目的是为了方便垃圾回收，提高垃圾回收效率

对象分配原则(一般对象)

• 对象优先在Eden区分配
• 空间分配担保
• 大对象直接进入老年代
• 长期存活的对象进入老年代
• 动态对象年龄判断

几乎所有对象都是在堆中分配，但也不全是

也有分配在栈中的对象(逃逸分析)

虚拟机栈中分配的对象，不需要被GC，因为栈中元素执行完成以后就会自动释放栈用的内存，所以栈中运行的效率非常高，可以提高JVM的运行效率(逃逸分析的作用)

逃逸分析的条件(对象创建时) 没有方法逃逸(不会存活到方法之外) 没有线程逃逸(不会存活到线程之外) 没有设置关闭逃逸参数 在栈上分配

new 一个对象
 ↓
是否栈上分配(逃逸分析判断) →是→ 分配到栈上
 ↓否
本地线程分配缓冲 →是→ 分配到堆中Eden区(TLAB)
 ↓否
是否是大对象 →是→ 分配到老年代
 ↓否
分配到堆中Eden区

GC的类型

• Minor(次要)/Young GC:回收新生代内存空间
• Major/Old GC:回收老年代内存空间
• Full GC:回收整个堆空间内存和方法区

分代收集理论

• 绝大部分对象都是朝生夕死(新生代)
• 对象熬过了多次垃圾回收就越难回收(老年代)

垃圾回收算法

复制算法

优点：实现简单、运行高效,内存复制、没有内存碎片

缺点：利用率只有一半

对于复制算法的改进：
根据研究和分析，绝大部分(98%)新生代的对象的都是会被即时回收的，所以，可以将新生代的内存空间氛围3个部分，即Eden(占新生代的80%)，From(也叫幸存区1，占新生代的10%)，To(幸存区2，占新生代20%)

发生垃圾回收时，将Eden区中可存活的对象复制到From区或者To区当中，From和To同一时间只会启用其中一片区域用于储存存活下来的对象(第一次垃圾回收，Eden存活对象全部进入了From区，To区格式化并闲置；第二次垃圾回收，Eden存活对象和From区存活对象全部进入To区，From区格式化并闲置；如此循环交替)，当From或者To区内存占用满了，则直接进行空间分配担保，将新生代存活对象全部存储到老年代

标记-清除算法(Mark-Sweep)

特点：执行效率不稳定，内存碎片容易导致提前GC

适用于老年代小范围内存回收

标记-整理算法(Mark-Compact)

特点：对象移动，引用更新，用户线程暂停，没有内存碎片，效率偏低

JVM中常见的垃圾收集器

• 单线程垃圾收集器
• 多线程并行垃圾收集器
• 多线程并发垃圾收集器

收集器	收集对象和算法	收集器类型
Serial	新生代，复制算法	单线程
Par New	新生代，复制算法	并行的多线程收集器
Parallel Scavenge	新生代，复制算法	并行的多线程收集器
Serial Old	老年代，标记整理算法	单线程
Parallel Old	老年代，标记整理算法	并行的多线程收集器
CMS	老年代，标记清除算法	并行与并发收集器
G1	新生代和老年代，标记整理+化整为零	并行与并发收集器

CMS垃圾回收器的工作原理

1. 初始标记(需要暂停所有用户线程，占用一个用户线程来执行GC，标记所有与GC ROOT直接相关的对象) 耗时短
2. 并发标记(用户线程和GC同时运行，根据初始标记来标记所有相关的对象) 耗时长
3. 重新标记(需要暂停所有用户线程，因为并发标记过程中可能会有新对象产生，故重新标记) 耗时短
4. 并发清理(用户线程和GC同时运行) 耗时长
5. 重置线程(将GC占用的线程替换回用户线程)

优点：不需要全部暂停用户线程

缺点：
· CPU敏感
  GC会占用用户线程并发执行任务，如果CPU核心数<4，对用户影响较大
 
· 浮动垃圾
  并发清理过程中可能会产生新的垃圾无法处理，只能等待下一次GC

· 内存碎片
  因为CMS使用的是标记清除算法，所以可能会产生较多内存碎片，标记清除以后，如果碎片较多，则可能会再次启动或者切换只Serial Old进行一次整理

G1 (Garbage First)

• 追求停顿时间
• Region区
• 筛选回收
• 可预测停顿
• 复制和标记整理算法

常量池(存在于方法区)

静态常量池

• 字面量
• 符号引用
• 类、方法的信息

运行时常量池

在对象创建过程中，符号引用需要转化成直接引用，这个直接引用就放在运行时常量池当中，如：Person person = new Person() 此时的person就是对实例化Person对象的直接引用，存放在运行时常量池当中，存放的是该对象对象头的hash值(内存地址)

虚拟机中对象的创建过程

类加载

检查加载

分配内存

划分内存方式

• 指针碰撞

  适用于内存空间比较规整的情况

• 空闲列表

  适用于内存空间比较零散，有较多碎片的情况

指针碰撞效率高于散列表，因为散列表需要多访问一次表结构
但是指针碰撞只适用于内存比较规整的情况，
而垃圾回收大多时候都是标记清除(因为更快，更少的暂停)，
所以具体使用哪种方式由当时的内存情况来决定

分配内存时，JVM会根据算法判断当前堆空间内存占用情况，以及内存的规整情况，如果内存规整则使用指针碰撞进行空间分配，如果不规整则使用空闲列表进行分配

并发安全问题

• CAS(Compare and sweep) 比较交换

  乐观锁机制

• TLAB 线程分配缓冲

  在Eden区给每个线程指定划分一块区域用于存储对象，即减少线程并发申请内存空间时的碰撞问题

内存空间初始化

将分配的内存空间设置为初始值(不是赋值)，如：int类型设置为:0，boolean类型设置为:false，String类型设置为:null等等

设置

设置对象头

对象初始化

此时才在决定调用构造方法

对象的内存布局

• 对象头

1 存储对象自身的运行时的数据

``` 哈希吗 GC年龄分代 锁状态标识 线程持有的锁 偏向线程ID 偏向时间戳 ```

2 类型指针

  指向该对象从属的类(Class)

3 若为对象数组，还又记录数组长度的数据

• 实例数据
• 对齐填充

  JVM规范中规定：对象占用空间应为8字节的整数倍，便于寻址(内存地址查找)，同时也是为了提高JVM运行的效率(减少同步和缓存)

对象的访问定位

• 使用句柄 在堆空间中划分一块区域作为句柄池

指向对象的指针
好处是当对象实例数据的地址变更后((GC整理后))，
引用不需要发生变更，
只需要变更指针指向的对象地址

多一次指针定位的开销

• 直接指针

引用直接指向对象的内存地址

当对象实例数据的地址变更后，
需要重新定位和更新引用指向的地址

判断对象的存活

• 引用计数法

直接，简单，快速

对GC root不可达的循环引用无法判别

• 可达性分析(根可达)

准确，高效

效率相较引用计数慢一点

主流虚拟机使用的是根可达算法

判断一个对象是否应该被回收 首先是根据可达性分析算法判断该对象是否应该被回收 其次还会再次判断该对象是否还有其他引用(finalize方法的自我拯救) 最后才能判断是否回收该对象

Finalize()方法的作用 当一个对象被销毁时，可能会调用Finalize()方法，且最多只会触发一次

为什么是可能?

因为 finalize() 方法的调用时在一个专门的Finalize线程中，该线程的优先级很低，不能确保会在对象销毁之前能够立即执行

各种引用

• 强引用
• 软引用 SoftReference

垃圾回收时，不一定会回收软引用持有的对象
只有堆空间不够时(即将OOM)，才会回收

• 弱引用 WeakReference

只能存活于下一次垃圾回收之前
只要发生垃圾回收，必定回收弱引用持有的对象

• 虚引用 PhantomRefrence

随时会被回收
主要用于JVM内部，监控垃圾回收器是否正常工作