JVM结构、内存分配、垃圾回收算法、垃圾收集器

一.JVM主要包括四个部分：

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1.类加载器（ClassLoader）:在JVM启动时或者在类运行时将需要的class加载到JVM中。（右图表示了从java源文件到JVM的整个过程，可配合理解
2.执行引擎：负责执行class文件中包含的字节码指令（执行引擎的工作机制，这里也不细说了，这里主要介绍JVM结构）；
3.内存区（也叫运行时数据区）：是在JVM运行的时候操作所分配的内存区。运行时内存区主要可以划分为5个区域，如图：

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• 方法区(Method Area)：用于存储类结构信息的地方，包括常量池、静态变量、构造函数等。虽然JVM规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分， 但它却有个别名non-heap（非堆），所以大家不要搞混淆了。方法区还包含一个运行时常量池。
• java堆(Heap)：存储java实例或者对象的地方。这块是GC的主要区域（后面解释）。从存储的内容我们可以很容易知道，方法区和堆是被所有java线程共享的。
• java栈(Stack)：java栈总是和线程关联在一起，每当创建一个线程时，JVM就会为这个线程创建一个对应的java栈。在这个java栈中又会包含多个栈帧，每运行一个方法就创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作栈、方法返回值等。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应一个栈帧在java栈中入栈到出栈的过程。所以java栈是现成私有的。
• 程序计数器(PC Register)：用于保存当前线程执行的内存地址。由于JVM程序是多线程执行的（线程轮流切换），所以为了保证线程切换回来后，还能恢复到原先状态，就需要一个独立的计数器，记录之前中断的地方，可见程序计数器也是线程私有的。
• 本地方法栈(Native Method Stack)：和java栈的作用差不多，只不过是为JVM使用到的native方法服务的。

4.本地方法接口：主要是调用C或C++实现的本地方法及返回结果。

二、内存分配

我觉得了解垃圾回收之前，得先了解JVM是怎么分配内存的，然后识别哪些内存是垃圾需要回收，最后才是用什么方式回收。
Java的内存分配原理与C/C++不同，C/C++每次申请内存时都要malloc进行系统调用，而系统调用发生在内核空间，每次都要中断进行切换，这需要一定的开销，而Java虚拟机是先一次性分配一块较大的空间，然后每次new时都在该空间上进行分配和释放，减少了系统调用的次数，节省了一定的开销，这有点类似于内存池的概念；二是有了这块空间过后，如何进行分配和回收就跟GC机制有关了。
java一般内存申请有两种：静态内存和动态内存。很容易理解，编译时就能够确定的内存就是静态内存，即内存是固定的，系统一次性分配，比如int类型变量；动态内存分配就是在程序执行时才知道要分配的存储空间大小，比如java对象的内存空间。根据上面我们知道，java栈、程序计数器、本地方法栈都是线程私有的，线程生就生，线程灭就灭，栈中的栈帧随着方法的结束也会撤销，内存自然就跟着回收了。所以这几个区域的内存分配与回收是确定的，我们不需要管的。但是java堆和方法区则不一样，我们只有在程序运行期间才知道会创建哪些对象，所以这部分内存的分配和回收都是动态的。一般我们所说的垃圾回收也是针对的这一部分。
总之Stack的内存管理是顺序分配的，而且定长，不存在内存回收问题；而Heap 则是为java对象的实例随机分配内存，不定长度，所以存在内存分配和回收的问题；

三、GC机制

随着程序的运行，内存中的实例对象、变量等占据的内存越来越多，如果不及时进行回收，会降低程序运行效率，甚至引发系统异常。
在上面介绍的五个内存区域中，有3个是不需要进行垃圾回收的：本地方法栈、程序计数器、虚拟机栈。因为他们的生命周期是和线程同步的，随着线程的销毁，他们占用的内存会自动释放。所以，只有方法区和堆区需要进行垃圾回收，回收的对象就是那些不存在任何引用的对象。
3.1 查找算法
经典的引用计数算法，每个对象添加到引用计数器，每被引用一次，计数器+1，失去引用，计数器-1，当计数器在一段时间内为0时，即认为该对象可以被回收了。但是这个算法有个明显的缺陷：当两个对象相互引用，但是二者都已经没有作用时，理应把它们都回收，但是由于它们相互引用，不符合垃圾回收的条件，所以就导致无法处理掉这一块内存区域。因此，Sun的JVM并没有采用这种算法，而是采用一个叫——根搜索算法，
基本思想是：从一个叫GC Roots的根节点出发，向下搜索，如果一个对象不能达到GC Roots的时候，说明该对象不再被引用，可以被回收。如上图中的Object5、Object6、Object7，虽然它们三个依然相互引用，但是它们其实已经没有作用了，这样就解决了引用计数算法的缺陷。

   补充概念，在JDK1.2之后引入了四个概念：强引用、软引用、弱引用、虚引用。 
   强引用：new出来的对象都是强引用，GC无论如何都不会回收，即使抛出OOM异常。 
   软引用：只有当JVM内存不足时才会被回收。 
   弱引用：只要GC,就会立马回收，不管内存是否充足。 
   虚引用：可以忽略不计，JVM完全不会在乎虚引用，你可以理解为它是来凑数的，凑够”四大天王”。它唯一的作用就是做一些跟踪记录，辅助finalize函数的使用。

   最后总结，什么样的类需要被回收：
    a.该类的所有实例都已经被回收；
    b.加载该类的ClassLoad已经被回收；
    c.该类对应的反射类java.lang.Class对象没有被任何地方引用。

3.2 内存分区
内存主要被分为三块：新生代（Youn Generation）、旧生代（Old Generation）、持久代（Permanent Generation）。三代的特点不同，造就了他们使用的GC算法不同，新生代适合生命周期较短，快速创建和销毁的对象，旧生代适合生命周期较长的对象，持久代在Sun Hotpot虚拟机中就是指方法区（有些JVM根本就没有持久代这一说法）。
新生代（Youn Generation）：大致分为Eden区和Survivor区，Survivor区又分为大小相同的两部分：FromSpace和ToSpace。新建的对象都是从新生代分配内存，Eden区不足的时候，会把存活的对象转移到Survivor区。当新生代进行垃圾回收时会出发Minor GC（也称作Youn GC）。
旧生代（Old Generation）：旧生代用于存放新生代多次回收依然存活的对象，如缓存对象。当旧生代满了的时候就需要对旧生代进行回收，旧生代的垃圾回收称作Major GC（也称作Full GC）。
持久代（Permanent Generation）：在Sun 的JVM中就是方法区的意思，尽管大多数JVM没有这一代。
3.3 GC算法
常见的GC算法：复制、标记-清除和标记-压缩
复制：复制算法采用的方式为从根集合进行扫描，将存活的对象移动到一块空闲的区域，当存活的对象较少时，复制算法会比较高效（新生代的Eden区就是采用这种算法），其带来的成本是需要一块额外的空闲空间和对象的移动。
标记-清除：该算法采用的方式是从跟集合开始扫描，对存活的对象进行标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象，并进行清除。
清除阶段清理的是没有被引用的对象，存活的对象被保留。
标记-清除动作不需要移动对象，且仅对不存活的对象进行清理，在空间中存活对象较多的时候，效率较高，但由于只是清除，没有重新整理，因此会造成内存碎片。
标记-压缩：该算法与标记-清除算法类似，都是先对存活的对象进行标记，但是在清除后会把活的对象向左端空闲空间移动，然后再更新其引用对象的指针

四、垃圾收集器

在JVM中，GC是由垃圾回收器来执行，所以，在实际应用场景中，我们需要选择合适的垃圾收集器，下面我们介绍一下垃圾收集器。
4.1 串行收集器（Serial GC）
Serial GC是最古老也是最基本的收集器，但是现在依然广泛使用，JAVA SE5和JAVA SE6中客户端虚拟机采用的默认配置。比较适合于只有一个处理器的系统。在串行处理器中minor和major GC过程都是用一个线程进行回收的。它的最大特点是在进行垃圾回收时，需要对所有正在执行的线程暂停（stop the world），对于有些应用是难以接受的，但是如果应用的实时性要求不是那么高，只要停顿的时间控制在N毫秒之内，大多数应用还是可以接受的，而且事实上，它并没有让我们失望，几十毫秒的停顿，对于我们客户机是完全可以接受的，该收集器适用于单CPU、新生代空间较小且对暂停时间要求不是特别高的应用上，是client级别的默认GC方式。
4.2 ParNew GC
基本和Serial GC一样，但本质区别是加入了多线程机制，提高了效率，这样它就可以被用于服务端上（server），同时它可以与CMS GC配合，所以，更加有理由将他用于server端。
4.3 Parallel Scavenge GC
在整个扫描和复制过程采用多线程的方式进行，适用于多CPU、对暂停时间要求较短的应用，是server级别的默认GC方式。
4.4 CMS (Concurrent Mark Sweep)收集器
该收集器的目标是解决Serial GC停顿的问题，以达到最短回收时间。常见的B/S架构的应用就适合这种收集器，因为其高并发、高响应的特点，CMS是基于标记-清楚算法实现的。

CMS收集器的优点：并发收集、低停顿，但远没有达到完美；
CMS收集器的缺点：

a.CMS收集器对CPU资源非常敏感，在并发阶段虽然不会导致用户停顿，但是会占用CPU资源而
导致应用程序变慢，总吞吐量下降。
b.CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能出现“Concurrnet Mode Failure”，失败而导致另一次的Full GC。
c.CMS收集器是基于标记-清除算法的实现，因此也会产生碎片。

4.5 G1收集器
相比CMS收集器有不少改进，首先，基于标记-压缩算法，不会产生内存碎片，其次可以比较精确的控制停顿。
4.6 Serial Old收集器
Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同样使用一个单线程执行收集，使用“标记-整理”算法。主要使用在Client模式下的虚拟机。
4.7 Parallel Old收集器
Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。
4.8 RTSJ垃圾收集器
RTSJ垃圾收集器，用于Java实时编程