JVM
基本概念
JVM是可运行Java代码的假想计算机，包含一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收、堆和一个存储方法域，JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。
运行过程：
我们都知道Java源文件，通过编译器，能够生产出相应的.Class文件，也就是字节码文件，而字节码文件又通过Java虚拟机中的编译器，编译成特定机器上的机器码。也就是如下：
①Java源文件 →编译器 → 字节码文件
② 字节码文件 →JVM→ 机器码
每一种平台的解释器是不同的，但是实现的虚拟机是相同的，这也就是Java为什么能够跨平台的原因了，当一个程序从开始运行这时虚拟机就开始实例化了，多个程序启动就会存在多个虚拟机实例。程序退出或者关闭，则虚拟机实例消亡，多个虚拟机实例直间数据不能共享。
线程
这里所说的线程指程序执行过程中的一个线程实体。JVM允许一个程序并发执行多个线程。Hotspot JVM中的Java线程与原生操作系统线程有直接的影射关系。当线程本地存储、缓冲区分配、同步对象、栈、程序计数器等准备好以后，就会创建一个操作系统原生线程。Java线程结束，原生线程随之被收回。操作系统负责调度所有线程，并把它们分配到任何可用的CPU上。当原生线程初始化完毕，就会屌用Java线程的run()方法。当线程结束时，会释放原生线程和Java线程的所有资源。
Hotspot JVM后台运行的系统线程主要由下面几个：
JVM内存区域
JVM内存区域主要分为线程私有区域【程序计数器、虚拟机栈、本地方法区】、线程共享区域【JAVA堆、方法区】、直接内存
线程私有数据区域生命周期与线程相同 ，依赖用户线程的启动/结束而创建/销毁(在Hotspot VM内，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射，因此这部分内存区域的存/否跟随本地线程的生/死对应)
直接内存并不是JVM运行时数据区的一部分，但也会被频繁的使用；在JDK1.4引入的NIO提供了基于Channel与Buffer的IO方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后使用DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作，这样就避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据，因此在一些场景中可以显著的提高性能。
程序计数器（线程私有）
一些较小的内存空间，是当前线程的字节码的行号指示器，每条线程都要有一个独立的计数器，这类内存也成为线程私有的内存。
正在执行的Java方法的话，计数器记录的是虚拟字节码指令的地址（当前指令的地址）。如果还是Native方法，则为空。
这个内存区域唯一在虚拟机中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域
虚拟机栈（线程私有）
是描述Java方法执行的内存模型，每个方法执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈桢在虚拟机栈中入栈倒出栈的过程。
栈帧（Frame）是用来存储数据和部分过程的结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接（Dynamic Linking）、方法返回值和异常分派（Dispantch Exception）。战阵随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁——无论方法是正常结束还是一场完成(抛出了在方法内未被捕获的异常)都算方法结束。
本地方法区（线程私有）
本地方法去和Java stack 作用类似，区别是虚拟栈为执行Java方法服务，而本地方法栈则作为Native方法服务，如果一个VM实现使用C-linkage模型来支持Native调用，那么该栈将会是一个C栈，但Hotspot VM直接就把方法栈和虚拟机栈合二为一。
堆(Heap-线程共享)-运行时数据区
是被线程共享的一块内存区域,创建的对象和数据都保存在java堆内存中，也是垃圾收集器进行垃圾手机的重要内存区域。由于现代VM采用分代收集算法，因此Java堆从GC的角度还可以细分为：新生代（Eden区、From Survivor区和To Survivor区）和老年代。
方法区/永久代（线程共享）
即我们常说的永久代（Permanent Generation）,用于存储JVM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.HotSpot VM把GC分代收集扩展至方法去，即使用Java堆的永久代来实现方法区，这样HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理Java堆一样管理这部分内存，而不必用方法区开发专门的内存管理器（永久代的内存回收主要目标是针对常量池的回收和类型的卸载，因此收益一般很小）。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类似的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Contant Pool Table）,用于存放编译器生成的各种字面量和符号的引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中，Java虚拟机堆Class文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储那类数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机认可、装载和执行。
JVM运行时内存
Java堆内存从GC的角度还可以细分为：新生代（Eden区、From Survivor区和To Survivor区）和老年代。
新生代
是用来存放新生的对象，一般占用堆内存的1/3空间。由于频繁创建对象所以新生代会频繁出发MinorGC进行垃圾回收。新生代又分为：Eden、From Survivor、To Survivor三个区。
Eden区
Java对象的出生地（如果新创建的对象内存很大，则直接分配到老年代）。当Eden区内存不够的时候会触发MinorGC，对新生代区进行一次垃圾回收。
ServivorFrom
上次GC的幸存者，作为这次GC的被扫描者。
ServivorTo
保留一次MinorGC过程的幸存者。
MinorGC的过程（复制->清空->互换）
MinorGC采用复制算法。
eden、ServivorFrom复制到ServivorTo，年龄+1
首先，把Eden和servivorFrom区域存活的对象复制到ServivorTo区域（如果年龄以及达到了老年标准，一般是15，则复制到老年代区），同时把这些对象的年龄+1（如果ServivorTo不够位置了就放到老年区）
清空Eden、servivorFrom
然后，清空Eden、servivorFrom中的对象。
servivorTo和servivorFrom互换
最后，servivorTo和ServivorFrom互换，原servivorTo成为下一次GC时的servivorFrom区。
老年代
主要存放程序中生命周期长的内存对象。
老年代的对象比较稳定，所以MajorGC不会频繁执行。在进行MajorGC前一般都先进行一次MinorGC，使新生代的对象晋身为老年代，导致空间不够时才触发。当无法找到足够大的连续空间分配给新创建的较大对象时也会出发一次MajorGC进行垃圾回收腾出空间。
MajorGC采用标记清除算法：首先扫描一次所有老年代，标记出存活的对象，然后回收没有标记的对象。MajorGC耗时比较肠，因为要扫描再回首。MajorGC会产生内存碎片，为了减少内存消耗，我们一般都需要进行合并或标记出来下次方便直接分配。当老年代也装不下的时候，就会抛出OOM(Out Of Memory) 异常。
永久代
指内存的永久保存区域，主要存放Class和Meta（元数据）的信息，Class在被加载的时候放入永久区域，它和存放实力的区域不同，GC不会在主程序运行期对永久区域进行清理。所以这也导致了永久代区域会随着Class的增多而涨满，最终抛出OOM异常。
Java8与元数据
在Java8中，永久代已经被移除，被一个成为“元数据区”（元空间）的区域所取代。元空间的本质和永久代类似，元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小受本地内存限制。类的元数据放入native memory ，字符串池和类的静态变量放入Java堆中，这样可以加载多少类的元数据不在由MaxPermSize控制，而由系统的实际可用空间来控制。
垃圾回收算法
如何确定垃圾
引用计数法
在Java中，引用和对象是有关联的。如何要操作对象必须用引用进行。因此，很显然一个简单的方法是通过引用计数来判断一个对象是否可以回收。简单说，即一个对象如果没有任何与之关联的引用，即他们的引用计数器不为0，则说明对象不太可能在被用到，那么这个对象就是可回收对象。
可达性分析
为了引用计数法的循环引用问题，Java使用了可达性分析法。通过一系列的“GC roots”对象作为起点搜索。如果在“GC roots”和一个对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的。要注意的是，不可达对象不等价于可回收对象，不可达对象变为可回答对象只要要经过两次标记过程。两次标记后仍然是可回收对象，则面临回收。
标记清除算法（Mark-Sweep）
最基础的垃圾回收算法，分为两个阶段，标注和清除。标了阶段标记出所需要回收的对象，清除阶段回收被标记的对象所占用的空间。如图
从图中我们就可以发现，该算法最大的问题是内存碎片化严重，后续可能发生大对象不能找到可利用的空间问题。
复制算法（copying）
为了解决Mark-Sweep算法内存碎片化的缺陷而被提出的算法。按照内存容量将划分为等大小的两块。每次只是用其中一块，当这一块内存充满后将尚存活的对象复制到另一块上去，把已使用的内存清除掉，如图：
这种算法虽然实现简单，内存效率高，不易产生碎片，但是最大的问题是可用内存被压缩到原来的一半。且存活对象增多的话，Copying算法效率会大大降低。
标记整理算法
结合了以上两个算法，为了避免缺陷而提出。标记阶段和Mark-Sweep算法相同，标记后不是清除对象，而是将存活对象移向内存的一端。然后清除边界外的对象，如图：
分代收集算法
分代收集算法是目前大部分JVM所采用的方法，其核心思想是根据对象存活的不同生命周期将内存划分为不同的域，一般情况下将GC堆划分为老生代（Tenured/Old Generation）和新生代（Young Generation）。老生代的特点是每次垃圾回收时只有少量的对象需要被回收，新生代的特点每次垃圾回收时都有大量的垃圾需要被回收，因此可以根据不同区域选择不同的GC算法。
新生代与复制算法
每次垃圾收集都能发现大批对象已死，只有少量存货。因此选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收收集。
目前目前大部分JVM的GC对于新生代采取的Copying算法，因为新生代每次垃圾回收都要回收大部分对象，既要复制的操作比较少，通常并不是按照1：1来划分新生代。一般新生代划分一块较大的Eden空间和两个较小的Survivor空间（From Space ,To Space）,每次使用Eden空间和其中一块的Survivor空间，当进行垃圾回收时，将该两块空间还存活的对象复制到另一块Survivor空间中。
老年代与标记复制算法
因对象存活率高、没有额外空间对他进行分配担保，就必须采用"标记——清理"或“标记——整理”算法来进行回收，不必进行内存复制，且直接腾出空闲内存。
而老年代因为每次只回收少量对象，因而采用Mark-Compact算法。
- Java虚拟机每次提到过的处于方法区的永生代（Permant Generation），它用来储存Class类，常量，方法描述等。对永生代的回收主要包括废弃常量和无用的类。
- 对象的内存分配主要在新生代的Eden Space和Survivor Space和From Space（Survivor目前存放对象的那一块），少量的情况会直接分配到老年代。
- 当新生代的Eden Space和From Space空间不足时就会进行一次GC ，进行GC后，Eden Space和From Space区的存活对象会被挪到To Space ，然后将Eden Space 和From Space 进行清理。
- 如果To Space 无法足够存储某个对象，则将对象存储到老生代。
- 进行GC后，使用Eden Sapce 和To Space 了，如此 反复循环。
- 当对象在Survivor区躲过了一次GC后，其年龄就会+1。默认情况下年里到达15的对象会被起到老生代中。
分区收集算法
分区收集算法则将整个堆空间划分为连续不同的小区间，每个小区间独立使用，独立回收。这样做的好处是可以控制一次回收多个小区间，根据目标停顿时间，每次合理地回收若干个小区间（而不是整个堆），从而减少GC所产生的停顿。
Java四种引用类型
强引用
在Java中常见的就是强引用，把一个对象赋值给一个引用变量，这个引用就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它处于可达状态，他是不可能被垃圾回收机制回收的，即使对象以后永远都不会被用到JVM也不会回收。因此强引用是造成Java内存泄漏的主要原因之一。
软引用
软引用需要用SoftReference类来实现，对于弱引用的对象来说，当系统内存足够使它不被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中。
弱引用
弱引用需要用WeakReference类来实现，它比软引用的生命期更短，对于弱引用的对象来说，只要垃圾回收机制一运行，不管JVM内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。
虚引用
虚引用需要PhantomReference类来实现，他不能单独使用，必须要和引用队列联合使用。虚引用的主要作用是跟踪对象垃圾回收的状态。
GC垃圾收集器
Java堆内存被划分为新生代和老年代两部分，新生代主要使用复制和标记-清除垃圾回收算法，老年代主要使用标记-整理垃圾回收算法，因此Java虚拟机针对新生代和老年代分别提供了多种不同的垃圾收集器，JDK1.6中Sun HotSpot虚拟机的垃圾收集器如下：
Serial垃圾收集器
Serial（英文连续）是最基本垃圾收集器，使用复制算法，曾经是JDK1.3之前新生代唯一的垃圾收集器。Serial是一个单线程的收集器，它不但只会使用一个CPU或者一条线程去完成垃圾收集工作，并且在进行垃圾收集的同时，必须暂停其他所有的工作线程，直到垃圾收集结束。
Serial垃圾收集器虽然在垃圾收集过程中需要暂停其他所有的工作线程，但是它简单高效，对于限定单个CPU环境来说，没有线程交互的开销，可以获得最高的单线程垃圾收集效率，因此Serial垃圾收集器依然是Java虚拟机运行在Client模式下默认的新生代垃圾收集器。
ParNew垃圾收集器（Serial+多线程）
ParNew垃圾收集器七十是Serial收集器的多线程版本，也使用复制算法，除了使用多线程进行垃圾收集之外，其余的行为和Seri收集器完全一样，ParNew垃圾收集器在垃圾收集过程中同样要暂停所有其他的工作线程。
ParNew收集器默认开启和CPU数目相同的线程数，可以通过-XX:ParallelGCThreads参数限制垃圾收集器的线程数。【Parallel：平行的】
ParNew虽然除了多线程外和Serial收集器几乎完全一样，但是ParNew垃圾收集器是很多Java虚拟机运行在Server模式下新生代默认垃圾收集器。
Parallel Scavenge收集器（多线程复制算法、高效）
Parallel Scavenge 收集器也是一个新生代垃圾收集器，同样使用复制算法，也是一个多线程的垃圾收集器，他重点关注的是程序达到一个可控制的吞吐量（Thoughput，CPU用于运行用户代码的时间/CPU总消耗时间，即吞吐量=运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间）），
高吞吐量可以最高效的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适用于在后台运算而不需要太多交互的任务。子实行调节策略也是ParallelScavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别。
Serial Old 收集器（单线程标记整理算法）
Serial Old 是Serial 垃圾收集器老年代版本，它同样是一个单线程的收集器，使用标记-整理算法，这个收集器业主要是运行在Client默认的Java虚拟机默认的老年代垃圾收集器。
在Server模式下主要两个用途：
- 在JDK1.5之前的版本中与新生代的Parallel Scavenge 收集器搭配使用。
- 作为老年代中使用CMS收集器的后被垃圾收集方案。
新生代Serial与老年代Serial Old 搭配垃圾收集过程图：
新生代Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器工作原理类似都是多线程收集器，都使用的是复制算法，在垃圾收集过程中都需要暂停所有的工作线程。新生代Parallel Scavenge/ParNew与老年代Serial Old搭配垃圾收集过程图：
Parallel Old 收集器（多线程标记整理算法）
Parallel Old 收集器是Parallel Scavenge 的老年代版本，使用多线程的标记-整理算法，在JDK 1.6才开始提供。
在JDK 1.6之前，新生代使用Parallel Scavenge收集器搭配老年代的Serial Old收集器，只能保证新生代的吞吐量优先，无法保证整体的吞吐量，Parallel Old 正是为了在老年代同样提供吞吐量优先的垃圾收集器，如果系统堆吞吐量要求比较高，可以优先考虑新生代Parallel Scavenge 和老年代Parallel Old收集器的搭配策略。
新生代Parallel Scavenge和老年代Parallel Old收集器搭配运行过程图：
CMS 收集器（多线程标记清除算法）
Concurrent mark sweep（CMS）收集器时一种老年代收集器，其主要目标时获取最短垃圾回收停顿时间，和其他老年代使用标记-整理算法不同，它使用多线程标记-清除算法。
最短的垃圾收集停顿时间可以为交互比较搞得程序提高用户体验，
CMS工作机制相比其他的垃圾收集器来说更复杂，整个过程分为四个阶段。
初始标记
只是标记一下GC Roots能直接关联的对象，速度很快，仍然需要暂停说有的工作线程。
并发标记
进行GC Roots跟踪的过程，和用户线程一起工作，不需要暂停工作线程。
重新标记
为了修正并发标记期间，因用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，仍然需要暂停所有的工作线程
并发清除
清除GC Roots不可达对象，和用户线程一起工作，不需要暂停工作线程。由于好事最长的并发标记和清除过程中，垃圾收集线程和用户现在一起并发工作，所以总体上来看CMS收集器的内存回收和用户线程是一起并发地执行。
CMS收集器工作过程：
G1收集器
Garbage first 垃圾收集器是目前垃圾收集器理论发展的最前沿成果，相比CMS收集器，G1收集器两个最突出的改进是：
- 基于标记-整理算法，不产生内存碎片。
- 可以非常精确控制停顿时间，在不牺牲吞吐量前提下，实现低停顿垃圾回收。
G1收集器避免全区域垃圾收集器，他把对内存划分为大小固定的几个独立区域，并且跟踪这些区域的垃圾收集进度，同时在后台维护一个优先级列表，每次根据所允许的收集时间，优先回收垃圾最多的区域。区域划分和优先级区域回收机制，确保G1收集器可以在优先时间获得最高垃圾收集效率。
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