Java内存区域和GC机制
一.Java内存区域
1.程序计数器（Program Counter Register）是当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支，循环，跳转，异常处理，线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，所以这类内存区域为“线程私有”的没存。
2.虚拟机栈（JVM Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同，虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在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，每一个方法从调用至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在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数据类型（byte，short，int，long，float，double，boolean，char），对象引用。
3.本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈的作用非常相似，他们之间的区别是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。
4.Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建，此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。
5.方法区（Method Area）与Java堆一样是各个线程共享的区域，它用于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。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本，字段，方法，接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
运行期间也可能将新到的常量放入池中，比如String类的intern()方法。
二.垃圾收集算法
1.标记-清除算法
最基础的收集算法，“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，后续的收集算法都是基于这种思路并对其不足进行改进而得到的。算法分为“标记”和“清除”两个阶段，首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。
两个不足：一个是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高，另一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后再程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。
2.复制算法
为了解决效率问题，“复制”（Copying）算法出现了，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块，当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。新生代就是使用的这种收集算法。
新生代的内存分为较大的Eden和两块较小的Survivor，HotSpot默认Edne：Survivor=8:1。每次使用Eden和其中一块Survivor。回收时，将还存活的对象一次性复制到另外一块Survivor上。最后清理掉Eden和刚才使用的Survivor空间。
3.标记-整理算法
复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低，所以老年代一般不能直接选用这种算法。
标记-整理（Mark-Compact）算法，标记过程与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存
4.分代收集算法
当前商业虚拟机的垃圾收集机制都采用“分代收集”（Generation Collection）算法，根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，把Java堆分为新生代和老年代，根据各个年代的特点采用最适当的收集算法，在新生代中，每次垃圾收集时都发现都大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集，而老年代中因为对象的存活率较高，没有额外的空间对他进行分配担保（新生代的另外一块Survivor空间没有足够空间存放上一次新生代收集下来存活的对象时，这些对象将直接通过分配担保机制进入老年代），就必须使用“标记-清理”或者“标记-整理”算法来进行回收。
三.垃圾收集器
1.Serial收集器
虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器，是一个单线程收集器，使用复制算法。在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束。
优点：简单而高效（与其他收集器的单线程相比），对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。
2.ParNew
Serial的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集之外，其他与Serial收集器完全一样。许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器，其中有一个与性能无关的很重要的原因是，除了Serial收集器外，只有它能与CMS收集器配合工作。
3.Parallel Scavenge收集器
新生代收集器，常称为“吞吐量优先”收集器，也使用复制算法，又是并行的多线程收集器，CMS等收集器的关注点是尽可能的缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。所谓吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗事假你的比值，
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），虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉了1分钟，那吞吐量就是99%。
停顿时间越短就越适合需要与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验，而高吞吐量则可以高效的利用CPU时间，尽快完成程序运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。GC停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间来换取的。虚拟机啊会根据当前系统的运行情况收集收集性能监控信息，动态调整Parallel Scavenge 参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量，这种调节方式称为GC自适应的调节策略（GC Ergonomics）。
4.Serial Old收集器
Serial收集器的老年代版本，也是单线程收集器，使用“标记-整理”算法，主要用于Client模式下的虚拟机
5.Parallel Old 收集器
Parallel Old 的老年代版本，使用多线程的“标记-整理”算法。在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，可以考虑parallel Scavegen 加 Parallel Old 收集器。
6.CMS收集器
CMS（Concurrent Mark Sweep）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
整个清除过程分为4步：
初始标记（CMS initial mark）：标记GC roots能直接关联的对象，速度很快。
并发标记（CMS concurrent mark）：进行GC roots Tracing 的过程，
重新标记：（CMS remark）：修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，停顿时间比初始标记稍长，但远比并发标记时间短。
并发清除（CMS concurrent sweep）
初始标记，重新标记这两个步骤需要“stop the world”（GC进行时必须停顿所有Java执行线程），耗时最长的并发标记和并发清除过程收集器线程都可以和用户线程一起工作。
缺点：
1).CMS收集器对CPU资源非常敏感，因为在并发阶段占用了一部分线程（CPU资源），而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。
2).无法处理浮动垃圾（Floating Garbage），因为CMS并发清理阶段，用户线程还在运行，还会产生垃圾，但出现在标记过程之后，CMS无法在当次收集中处理，只能留到下次GC时再清理掉。
3).CMs是基于“标记-清除”算法实现的，会产生空间碎片。
7.G1收集器
一款面向服务端应用的垃圾收集器。
特点：
并行与并发
分代收集
空间整合：基于“标记-整理”算法实现
可预测的停顿
将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留着新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，他们都是一部分Region（不需要连续）的集合。
步骤：
初始标记（Initial Marking）：标记GC Roots能关联到的对象，需要停顿线程，耗时很短
并发标记（Concurrent Marking）：从GC Roots开始对堆中对象进行可达性分析，耗时较长。
最终标记（Final Marking）：修正并发标记期间因用户线程继续运作而导致标记产生变动的那一部分标记，需要停顿线程，但可并行执行
筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划。
