一、内存区域
二、垃圾回收器
三、垃圾回收算法
四、Java 内存模型与线程
五、类加载机制
一、内存区域
1.1 运行时数据区域
根据《Java 虚拟机规范(Java SE 7 版)》规定，Java 虚拟机所管理的内存如下图所示。
（1）程序计数器
内存空间小，线程私有。字节码解释器工作是就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行指令的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖计数器完成
如果线程正在执行一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是 Native 方法，这个计数器的值则为 (Undefined)。
此内存区域是唯一 一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
（2）虚拟机栈
线程私有，生命周期和线程一致。描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行时都会床创建一个栈帧(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结束，就对应着一个栈帧从虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
局部变量表：存放了编译期可知的各种基本类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference 类型)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)
StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度。
OutOfMemoryError：如果虚拟机栈可以动态扩展，而扩展时无法申请到足够的内存。
（3）本地方法栈
区别于 Java 虚拟机栈的是，Java 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。也会有 StackOverflowError
和 OutOfMemoryError 异常。
（4）堆
对于绝大多数应用来说，这块区域是 JVM 所管理的内存中最大的一块。线程共享，主要是存放对象实例和数组。内部会划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)。
可以位于物理上不连续的空间，但是逻辑上要连续。
OutOfMemoryError：如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，抛出该异常。
（5）方法区
属于共享内存区域，存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
现在用一张图来介绍每个区域存储的内容
（6）运行时常量池
属于方法区一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。编译器和运行期(String 的 intern() )都可以将常量放入池中。内存有限，无法申请时抛出 OutOfMemoryError。
（7）直接内存
非虚拟机运行时数据区的部分
在 JDK 1.4 中新加入 NIO (New Input/Output) 类，引入了一种基于通道(Channel)和缓存(Buffer)的 I/O 方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的
DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。可以避免在 Java 堆和 Native 堆中来回的数据耗时操作。
OutOfMemoryError：会受到本机内存限制，如果内存区域总和大于物理内存限制从而导致动态扩展时出现该异常。
1.2 虚拟机对象
（1）创建对象
遇到 new 指令时，首先检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化过。如果没有，执行相应的类加载。
类加载检查通过之后，为新对象分配内存(内存大小在类加载完成后便可确认)。在堆的空闲内存中划分一块区域(‘指针碰撞-内存规整’或‘空闲列表-内存交错’的分配方式)。
前面讲的每个线程在堆中都会有私有的分配缓冲区(TLAB)，这样可以很大程度避免在并发情况下频繁创建对象造成的线程不安全。
内存空间分配完成后会初始化为 0(不包括对象头)，接下来就是填充对象头，把对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息存入对象头。
执行 new 指令后执行 init 方法后才算一份真正可用的对象创建完成
（2）对象的内存布局
在 HotSpot 虚拟机中，分为 3 块区域：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)
对象头(Header)：包含两部分，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等，32 位虚拟机占 32 bit，64 位虚拟机占 64 bit。官方称为 ‘Mark Word’。第二部分是类型指针，即对象指向它的类的元数据指针，虚拟机通过这个指针确定这个对象是哪个类的实例。另外，如果是 Java 数组，对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为普通对象可以通过 Java 对象元数据确定大小，而数组对象不可以。
实例数据(Instance Data)：程序代码中所定义的各种类型的字段内容(包含父类继承下来的和子类中定义的)。
对齐填充(Padding)：不是必然需要，主要是占位，保证对象大小是某个字节的整数倍。
（3）对象的访问定位
使用对象时，通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。
使用句柄访问
Java 堆中会分配一块内存作为句柄池。reference 存储的是句柄地址。详情见图。
使用直接指针访问，reference 中直接存储对象地址
通过句柄访问
Java 堆中会分配一块内存作为句柄池。reference 存储的是句柄地址。详情见图。
比较：使用句柄的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象移动(GC)是只改变实例数据指针地址，reference 自身不需要修改。直接指针访问的最大好处是速度快，节省了一次指针定位的时间开销。
如果是对象频繁 GC 那么句柄方法好，如果是对象频繁访问则直接指针访问好。
二、垃圾回收器
2.1 概述
程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈 3 个区域随线程生灭(因为是线程私有)，栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作。而 Java 堆和方法区则不一样，
一个接口中的多个实现类需要的
内存可能不一样，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期才知道那些对象会创建，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾回收期所关注的就是这部分内存。
2.2 对象已死吗？
在进行内存回收之前要做的事情就是判断那些对象是‘死’的，哪些是‘活’的。
（1）引用计数法
给对象添加一个引用计数器。但是难以解决循环引用问题。
(2) 可达性分析
通过一系列的 ‘GC Roots’ 的对象作为起始点，从这些节点出发所走过的路径称为引用链。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的时候说明对象不可用。
可作为 GC Roots 的对象：
- 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象
- 方法区中类静态属性引用的对象
- 方法区中常量引用的对象
- 本地方法栈中 JNI(即一般说的 Native 方法) 引用的对象
2.3 再谈引用
（1）强引用
类似于 Object obj = new Object(); 创建的，只要强引用在就不回收。
（2）软引用
SoftReference 类实现软引用。在系统要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围之中进行二次回收。
（3）弱引用
WeakReference 类实现弱引用。对象只能生存到下一次垃圾收集之前。在垃圾收集器工作时，无论内存是否足够都会回收掉只被弱引用关联的对象。
（4）虚引用
PhantomReference 类实现虚引用。无法通过虚引用获取一个对象的实例，为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。
2.4 生存还是死亡
即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“facebook”的，这时候它们暂时出于“缓刑”阶段，一个对象的真正死亡至少要经历两次标记过程：如果对象在进行中可达性分析后发现没有与
GC Roots 相连接的引用链，那他将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选条件是此对象是否有必要执行 finalize() 方法。当对象没有覆盖 finalize() 方法，或者 finalize() 方
法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。
如果这个对象被判定为有必要执行 finalize() 方法，那么这个对象竟会放置在一个叫做 F-Queue 的队列中，并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的 Finalizer 线程去执行它。
这里所谓的“执行”是指虚拟机会出发这个方法，并不承诺或等待他运行结束。finalize() 方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后 GC 将对 F-Queue 中的对象进行第二次小规模的标
记，如果对象要在 finalize() 中成功拯救自己 —— 只要重新与引用链上的任何一个对象简历关联即可。
finalize() 方法只会被系统自动调用一次。
2.5 回收方法区
在堆中，尤其是在新生代中，一次垃圾回收一般可以回收 70% ~ 95% 的空间，而永久代的垃圾收集效率远低于此。
永久代垃圾回收主要两部分内容：废弃的常量和无用的类。
判断废弃常量：一般是判断没有该常量的引用。
判断无用的类：要以下三个条件都满足
该类所有的实例都已经回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例
加载该类的 ClassLoader 已经被回收
该类对应的 java.lang.Class 对象没有任何地方呗引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法
三、垃圾回收算法
3.1 标记 —— 清除算法
直接标记清除就可。
两个不足：
- 效率不高
- 空间会产生大量碎片
3.2 复制算法
把空间分成两块，每次只对其中一块进行 GC。当这块内存使用完时，就将还存活的对象复制到另一块上面
解决前一种方法的不足，但是会造成空间利用率低下。因为大多数新生代对象都不会熬过第一次 GC。所以没必要 1 : 1 划分空间。可以分一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间，
每次使用 Eden 空间和其中一块 Survivor。当回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活的对象一次性复制到另一块 Survivor 上，最后清理 Eden 和 Survivor 空间。大小比例一般是 8 : 1 : 1，每
次浪费 10% 的 Survivor 空间。但是这里有一个问题就是如果存活的大于 10% 怎么办？这里采用一种分配担保策略：多出来的对象直接进入老年代。
3.3 标记-整理算法
不同于针对新生代的复制算法，针对老年代的特点，创建该算法。主要是把存活对象移到内存的一端。
分代收集
根据存活对象划分几块内存区，一般是分为新生代和老年代。然后根据各个年代的特点制定相应的回收算法。
- 新生代：每次垃圾回收都有大量对象死去，只有少量存活，选用复制算法比较合理。
- 老年代：老年代中对象存活率较高、没有额外的空间分配对它进行担保。所以必须使用
标记 —— 清除或者标记 —— 整理算法回收
3.4 收集器
Serial 收集器
这是一个单线程收集器。意味着它只会使用一个 CPU 或一条收集线程去完成收集工作，并且在进行垃圾回收时必须暂停其它所有的工作线程直到收集结束。
ParNew 收集器
可以认为是 Serial 收集器的多线程版本。
并行：Parallel
指多条垃圾收集线程并行工作，此时用户线程处于等待状态
并发：Concurrent
指用户线程和垃圾回收线程同时执行(不一定是并行，有可能是交叉执行)，用户进程在运行，而垃圾回收线程在另一个 CPU 上运行。
Parallel Scavenge 收集器
这是一个新生代收集器，也是使用复制算法实现，同时也是并行的多线程收集器。
CMS 等收集器的关注点是尽可能地缩短垃圾收集时用户线程所停顿的时间，而 Parallel Scavenge 收集器的目的是达到一个可控制的吞吐量(Throughput = 运行用户代码时间 / (运行用户代码时间 + 垃圾收集时间))。
作为一个吞吐量优先的收集器，虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整停顿时间。这就是 GC 的自适应调整策略(GC Ergonomics)。
Serial Old 收集器
收集器的老年代版本，单线程，使用 标记 —— 整理
Parallel Old 收集器
Parallel Old 是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。多线程，使用 标记 —— 整理
CMS 收集器
CMS (Concurrent Mark Sweep) 收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。基于 标记 —— 清除 算法实现。
运作步骤:
初始标记(CMS initial mark)：标记 GC Roots 能直接关联到的对象
并发标记(CMS concurrent mark)：进行 GC Roots Tracing
重新标记(CMS remark)：修正并发标记期间的变动部分
并发清除(CMS concurrent sweep)
缺点：对 CPU 资源敏感、无法收集浮动垃圾、标记 —— 清除 算法带来的空间碎片
G1 收集器
面向服务端的垃圾回收器。
优点：并行与并发、分代收集、空间整合、可预测停顿。
运作步骤:
初始标记(Initial Marking)
并发标记(Concurrent Marking)
最终标记(Final Marking)
筛选回收(Live Data Counting and Evacuation)
内存分配与回收策略
对象主要分配在新生代的 Eden 区上，如果启动了本地线程分配缓冲区，将线程优先在 (TLAB) 上分配。少数情况会直接分配在老年代中。
一般来说 Java 堆的内存模型如下图所示：
新生代 GC (Minor GC)
发生在新生代的垃圾回收动作，频繁，速度快。
老年代 GC (Major GC / Full GC)
发生在老年代的垃圾回收动作，出现了 Major GC 经常会伴随至少一次 Minor GC(非绝对)。Major GC 的速度一般会比 Minor GC 慢十倍以上。
- 大对象直接进入老年代
- 长期存活的对象将进入老年代
- 动态对象年龄判定
- 空间分配担保
四、Java 内存模型与线程
4.1Java 内存模型
4.2 主内存与工作内存之间的交护
对于 volatile 型变量的特殊规则
关键字 volatile 是 Java 虚拟机提供的最轻量级的同步机制。
- 一个变量被定义为 volatile 的特性：保证此变量对所有线程的可见性。但是操作并非原子操作，并发情况下不安全
如果不符合 运算结果并不依赖变量当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值 和 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束 就要通过加锁(使用 synchronize
或 java.util.concurrent 中的原子类)来保证原子性。
- 禁止指令重排序优化。
通过插入内存屏障保证一致性
对于 long 和 double 型变量的特殊规则
Java 要求对于主内存和工作内存之间的八个操作都是原子性的，但是对于 64 位的数据类型，有一条宽松的规定：允许虚拟机将没有被 volatile 修饰的 64 位数据的读写操作划分为两次
32 位的操作来进行，
即允许虚拟机实现选择可以不保证 64 位数据类型的 load、store、read 和 write 这 4 个操作的原子性。这就是 long 和 double 的非原子性协定。
原子性、可见性与有序性
- 原子性(Atomicity)
由 Java 内存模型来直接保证的原子性变量操作包括 read、load、assign、use、store 和 write。大致可以认为基本数据类型的操作是原子性的。
同时 lock 和 unlock 可以保证更大范围操作的原子性。而 synchronize 同步块操作的原子性是用更高层次的字节码指令 monitorenter 和 monitorexit 来隐式操作的。
- 可见性(Visibility)
是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程也能够立即得知这个通知。主要操作细节就是修改值后将值同步至主内存(volatile 值使用前都会从主内存刷新)，除了 volatile 还有
synchronize 和 final 可以保证可见性。同步块的可见性是由“对一个变量执行 unlock 操作之前，必须先把此变量同步会主内存中( store、write 操作)”这条规则获得。而 final
可见性是指：被 final 修饰的字段在构造器中一旦完成，并且构造器没有把 “this” 的引用传递出去( this 引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始
化了一半”的对象)，那在其他线程中就能看见 final 字段的值。
- 有序性(Ordering)
如果在被线程内观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句指“线程内表现为串行的语义”，后半句是指“指令重排”现象和“工作内存与主内存
同步延迟”现象。Java 语言通过 volatile 和 synchronize 两个关键字来保证线程之间操作的有序性。volatile 自身就禁止指令重排，而 synchronize 则是由“一个变量在同一时刻
指允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行的进入。
先行发生原则
也就是 happens-before 原则。这个原则是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据。先行发生是 Java 内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系
4.3 Java 与线程
直接由操作系统内核支持的线程，这种线程由内核完成切换。程序一般不会直接去使用内核线程，而是去使用内核线程的一种高级接口 —— 轻量级进程(LWP)，
轻量级进程就是我们通常意义上所讲的线程，每个轻量级进程都有一个内核级线程支持。
广义上来说，只要不是内核线程就可以认为是用户线程，因此可以认为轻量级进程也属于用户线程。狭义上说是完全建立在用户空间的线程库上的并且内核系统不可感知的。
Java 线程实现
平台不同实现方式不同，可以认为是一条 Java 线程映射到一条轻量级进程。
五、类加载时机
类的生命周期( 7 个阶段)
其中加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的。解析阶段可以在初始化之后再开始(运行时绑定或动态绑定或晚期绑定)。
其中加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的。解析阶段可以在初始化之后再开始(运行时绑定或动态绑定或晚期绑定)。
以下五种情况必须对类进行初始化(而加载、验证、准备自然需要在此之前完成)：
遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这 4 条字节码指令时没初始化触发初始化。使用场景：使用 new 关键字实例化对象、读取一个类的静态字段(被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)、调用一个类的静态方法。
使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候。
当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，则需先触发其父类的初始化。
当虚拟机启动时，用户需指定一个要加载的主类(包含 main() 方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个主类。
当使用 JDK 1.7 的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需先触发其初始化。
5.1
说明：如果两个收集器之间存在连线说明他们之间可以搭配使用。
参考：https://blog.csdn.net/qq_41701956/article/details/81664921