0、Java 對內(nèi)存的劃分：
Java虛擬機(jī)規(guī)范將物理內(nèi)存（主內(nèi)存和CPU中的緩存、寄存器）劃分為 程序計(jì)數(shù)器、Java 虛擬機(jī)棧、本地方法棧、Java 堆、方法區(qū)五個區(qū)域，但并沒有規(guī)定這些區(qū)域的具體實(shí)現(xiàn)，在其他地方聽到的一些名詞（如永久代、元空間等，這些都是方法區(qū)的具體實(shí)現(xiàn)）可能都是這些區(qū)域具體的實(shí)現(xiàn)，這點(diǎn)要特別注意，別被這些概念搞暈。
各個區(qū)域的特點(diǎn)如下表：
| 區(qū)域 | 線程關(guān)系 | 內(nèi)存異常 | 垃圾回收 | 作用 |
|---|---|---|---|---|
| 程序計(jì)數(shù)器 | 線程私有 | 無 | 無 | 記錄Java虛擬機(jī)正在指向的字節(jié)碼指令 |
| Java 虛擬機(jī)棧 | 線程私有 | StackOverflowError、OutOfMemoryError | 無 | 描述 Java 方法執(zhí)行時的內(nèi)存模型，棧中棧幀存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法返回地址等信息。 |
| 本地方法棧 | 線程私有 | StackOverflowError、OutOfMemoryError | 無 | 描述本地方法（非 Java 代碼編寫）執(zhí)行時的內(nèi)存模型 |
| 方法區(qū) | 線程共享 | OutOfMemoryError | 有 | 存儲虛擬機(jī)加載過的類信息、常量（常量池）、靜態(tài)變量、即時編譯器（JIT）生成的代碼 |
| Java 堆 | 線程共享 | OutOfMemoryError | 有 | 存放 Java對象（實(shí)例） |
1、類加載器：
類加載器分為 Bootstrap、Extension ClassLoader（Java9 中是 Platform ClassLoader）、Application ClassLoader，級別也是從高到低。
可以調(diào)用類加載器對象的 getParent() 方法查找該級加載器的上一級加載器，也成為父類加載器。
| 類加載器 | 描述 | 是否為 Java 實(shí)現(xiàn) |
|---|---|---|
| Bootstrap | JVM啟動時創(chuàng)建，通常由操作系統(tǒng)相關(guān)的本地代碼實(shí)現(xiàn)，是最根基的類加載器，負(fù)責(zé)裝載的是最核心的 Java 類，如 Object 類、System 類、String 類等 | 否 |
| Extension ClassLoader | 加載一些擴(kuò)展的系統(tǒng)類，如 XML、加密、壓縮相關(guān)功能的類 | 是 |
| Application ClassLoader | 加載用戶定義的 CLASSPATH 路徑下的類 | 是 |
此處不翻譯了，翻譯后就變味了，尤其是下面的 Parents Delegation Model 翻譯為雙親委派模型很不恰當(dāng)。
字節(jié)碼文件加載到內(nèi)存中，才可以實(shí)例化出類，而類加載器就是負(fù)責(zé)加載 Java 類的。低級別的類加載器在加載一個類時會先詢問上一級的類加載器，直到詢問到頂級的類加載器（Bootstrap），如果頂級的類加載器可以加載就加載該類，否則向下嘗試是否可以加載該類，也即是如果上一級類加載器能加載的就用上一級加載（復(fù)用上一級的類加載器），用不了再用自身的類加載器加載，這也就是口口相傳卻是翻譯很不恰當(dāng)?shù)碾p親委派模型。這樣做可以使類加載更加安全，避免加載和標(biāo)準(zhǔn) Java 類同包同名的類破壞虛擬機(jī)。
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可以根據(jù)需要繼承 Application ClassLoader 實(shí)現(xiàn)自定義類加載器，隔離加載器、修改類的加載方式、擴(kuò)展加載源、防止源碼泄露。
2、類加載的過程：
類加載是將字節(jié)碼文件實(shí)例化成 Class 對象并進(jìn)行相關(guān)初始化的過程。類加載包括類的加載（Load）、類的鏈接（Link）、類的初始化（init）三個步驟。
類的加載是將字節(jié)碼文件以二進(jìn)制流的方式讀取到內(nèi)存中并轉(zhuǎn)化為特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，檢查 cafe baby 這個魔法數(shù)（是不是Java文件的標(biāo)志），是否有父類等，創(chuàng)建類對應(yīng)的 Class 對象。
類的鏈接又分為驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析三個階段，驗(yàn)證階段是進(jìn)行更加詳細(xì)的校驗(yàn)，如類型是否正確，靜態(tài)變量是否合理等；準(zhǔn)備階段是為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存空間，并設(shè)定默認(rèn)值；解析階段是保證類和類之間相互引用的正確性，完成類在內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)布局。
類的初始化并不是初始化對象，而是根據(jù)代碼中的值初始化類的靜態(tài)變量值，類的靜態(tài)變量的初始化方式也有直接在聲明時指定值和在靜態(tài)代碼塊中指定值兩種方式。
3、訪問對象的兩種方式：
Java虛擬機(jī)棧中的局部變量表存放的數(shù)據(jù)除了基本的數(shù)據(jù)類型外，還有對象的引用類型（reference），這關(guān)系到如何訪問一個對象。
在不同的虛擬機(jī)中，對象的訪問方式也是不同的，主流的訪問方式有使用句柄和直接指針兩種。
- 使用句柄：
使用句柄 是在 Java 堆中劃分出一塊區(qū)域作為句柄池，句柄池中存放對象的實(shí)例數(shù)據(jù)和類型數(shù)據(jù)（類相關(guān)的信息）的地址，reference 中存放的是對象對應(yīng)句柄中的地址，這是一種間接訪問對象方式。
- 直接指針：
直接指針 是reference中直接存放對象的地址，但 Java 堆需要考慮如何存放訪問對象類型的指針。
兩種方式其實(shí)各有優(yōu)劣，如下表：
| 方式 | 優(yōu)勢 | 特點(diǎn) |
|---|---|---|
| 使用句柄 | reference 中存放的是穩(wěn)定的句柄地址，對象在移動時只改變句柄池中對象的地址，而reference中的地址不需要改變。 | 間接訪問 |
| 直接指針 | 節(jié)省了一次指針定位的時間開銷，訪問速度相對更快。 | 直接訪問 |
4、判斷對象是否可以回收的算法：
垃圾回收之前需要判斷對象是否可以回收，常見的判斷算法有引用計(jì)數(shù)算法和可達(dá)性分析算法。
引用計(jì)數(shù)算法：
每個對象都有對應(yīng)的引用計(jì)數(shù)器，當(dāng)有一個地方引用該對象時，就將引用計(jì)數(shù)器的值加1，當(dāng)引用失效時，就將引用計(jì)數(shù)器的值減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為0時，表示對象沒有引用，可以被回收了。
缺點(diǎn)：看起來簡單高效，但是有循環(huán)引用問題。如果兩個對象中包含對方的引用就會產(chǎn)生循環(huán)引用問題，導(dǎo)致垃圾收集器不能回收對象。
可達(dá)性分析算法：
如果對象與GC Roots 之間沒有直接或間接的應(yīng)用關(guān)系，就可以被回收了。常見的 GC Roots 對象包括虛擬機(jī)棧（棧幀本地變量表）中引用的對象、方法區(qū)中靜態(tài)屬性引用的對象、方法區(qū)常量引用的對象、本地方法棧中（Native 方法）引用的對象。GC Roots，是一個特殊的對象，且絕對不能被其他對象引用，不然也會像引用計(jì)數(shù)算法那樣有循環(huán)引用的問題。
5、常見的垃圾回收算法：
- 標(biāo)記-清除算法
最基本的垃圾回收算法，后續(xù)的算法都是對它的改進(jìn)。
首先標(biāo)記出需要回收的對象，再將標(biāo)記出的區(qū)域內(nèi)容清除。
缺點(diǎn)是：標(biāo)記時的查找效率，清除時產(chǎn)生內(nèi)存碎片。
- 標(biāo)記-復(fù)制算法
將內(nèi)存區(qū)域劃分為兩塊，每次只使用一塊，垃圾回收時，標(biāo)記正在使用的內(nèi)存區(qū)域，將存活的對象復(fù)制到另一塊內(nèi)存區(qū)域，再將原來的那一塊內(nèi)存區(qū)域一次性清除。避免了內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，但不適合存活時間長的對象。
缺點(diǎn)：浪費(fèi)了一半的內(nèi)存空間，當(dāng)對象存活率高時，進(jìn)行大量的復(fù)制操作，效率不高。
- 標(biāo)記-整理算法
標(biāo)記過程和標(biāo)記-除算法相同，垃圾回收時，是將存活的對象向同一端移動，再清除這之外的內(nèi)存區(qū)域，這樣就使得對象占用的內(nèi)存區(qū)域連續(xù)，避免了內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。
- 分代收集算法
根據(jù)對象存活時間的長短，將堆內(nèi)存分為新生代和老生代，存活時間短的對象放在新生代區(qū)域，存活時間長的大對象（如對象數(shù)組）放在老生代區(qū)域。新生代和老生代的比例是 1 : 2，新生代又分為一個 Eden 區(qū)和兩個 Survivor 區(qū)。新生代使用標(biāo)記-復(fù)制算法，老生代使用標(biāo)記-清除算法或標(biāo)記-整理算法，這樣最大發(fā)揮各自算法的優(yōu)勢。
6、常見的垃圾回收器：
- Serial 回收器
Serial 采取 “復(fù)制算法” 實(shí)現(xiàn)，如果是在單 CPU 環(huán)境下，Serial 收集器沒有線程交互的開銷，理論上是可以獲得最高的單線程執(zhí)行效率，STW 的時間也可以控制在幾十到幾百毫秒內(nèi)，這個時間是完全可以接受的。
- Serial Old （PS MarkSweep）回收器
Serial Old 收集器 是 Serial 收集器的老年代版本，同樣也是一個單線程收集器，使用了 “標(biāo)記-整理算法”。
- ParNew 回收器
ParNew 收集器實(shí)際上就是 Serial 收集器的多線程版本，收集算法、STW、對象分配的規(guī)則、回收策略等都與 Serial 收集器完全一樣，兩者相同的代碼很多。ParNew 收集器雖然有多線程優(yōu)勢，但在單 CPU 和多 CPU 環(huán)境下，效果并不一定會比 Serial 好，至少在單 CPU 環(huán)境下是肯定不如的 Serial 的。
- Parallel Scavenge 回收器
Parallel Scavenge收集器和 ParNew 收集器很像，也是一個新生代收集器，也是使用復(fù)制算法，并且還是并行的多線程的收集器。相比于 ParNew 收集器，Parallel Scavenge收集器可以更加精準(zhǔn)的控制 CPU 的吞吐量和 STW 的時間，對于交互不多的任務(wù)可以更快地完成。
- Parallel Old 回收器
Parallel Old 收集器是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本，使用多線程和 “標(biāo)記-整理算法”。在 Parallel Old 收集器出現(xiàn)之間，選擇了 Parallel Scavenge 收集器作為新生代的收集器，就只能選擇 Serial Old 收集器作為老生代收集器，這樣肯定就是對多 CPU 的浪費(fèi)，所以 Parallel Scavenge收集器 + Parallel Old 收集器，對于多 CPU 環(huán)境吞吐量要求高的環(huán)境，算是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。
- CMS 回收器
CMS （Concurrent Mark Sweep）收集器從英文名字上看就是基于 “標(biāo)記-清除算法” 實(shí)現(xiàn)的，并且還有并發(fā)的特點(diǎn)，它是一種以縮短 STW 的時間為目標(biāo)的收集器，對于一些重視服務(wù)響應(yīng)速度的網(wǎng)站，肯定是 STW 越短，用戶體驗(yàn)越好，但是缺點(diǎn)是會在垃圾收集結(jié)束后產(chǎn)生大量的空間碎片。
通過初始標(biāo)記（Initial Mark）、并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Mark）、重新標(biāo)記（Remark）、并發(fā)清除（Concurrent Sweep）四個步驟完成垃圾回收。
- G1 回收器
G1 收集器是目前最先進(jìn)的收集器，它是基于 “標(biāo)記-復(fù)制算法” 實(shí)現(xiàn)的，所以不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片，并且也可以精準(zhǔn)地控制 STW 的時間。G1 收集器對于新生代和老年代都是適用的，優(yōu)先回收垃圾最多的區(qū)域。
關(guān)于 Java 內(nèi)存管理的詳細(xì)內(nèi)容可參看 我的博客
