一、Java内存区域概览
JVM实现（前两者已被Oracle收购）：HotSpot、JRockit（BEA）、J9（IBM）、AJDK（阿里）等。JVM运行在操作系统之上，与硬件没有直接交互。
一个Java类运行流程：1.我们运行javac命令编译后的class文件，被类装载器ClassLoader装载进入内存区域，ClassLoader在启动之初进行类的加载Load（验证）、链接Link（准备）、初始化Init（解析），使用溯源双亲委派模型，将字节码文件实例化成Class对象。2.执行命令java，提交给执行引擎解释，默认采用解释与编译混合执行的模式，然后提交给操作系统。Java关键字native修饰的方法，通过JNI走本地库接口，调用C/C++函数，如Thread的start函数内部实现调用的start0函数。
双亲委派模型：类加载器的等级制度，以组合的方式来复用父加载器的功能，低层次的类加载器不能覆盖更高层次加载器已经加载的类。第一层是Bootstrap ClassLoader加载核心Java类，第二层是Extension ClassLoader（JDK8。JDK11为Platform ClassLoader）加载扩展系统类，第三层为Application ClassLoader加载用户自定义CLASSPATH路径下的类。在启动时设置JVM参数-XX:+TraceClassLoading可观察系统加载了哪个jar包中的哪个类，对于解决类冲突非常有用。
如图，内存区域分为线程独占区（虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器）和线程共享区（方法区、堆、元空间），我们可对虚拟机进行调优，优化的是线程共享区：99%是在优化堆、1%是优化方法区。
程序计数器：记录当前线程所执行到的字节码行号，每个线程都有一个程序计数器，就是一个指针，指向方法区中方法字节码。
方法区：存在栈中（方法调用顺序返回值先进后出）。存储运行时常量池、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（构如造函数+接口代码及定义+静态变量+常量+类信息）。
本地方法栈：主导JVM外，为所调用到的Native脚本方法服务。如JNI类本地方法（现在大多都是走服务如WebService），如大量使用JNI会丧失跨平台特性，如要求极高的执行效率的偏底层的跨进程操作时，可考虑JNI调用方式。
虚拟机栈：主导JVM内，存放方法运行时所需的数据，成为栈帧。一般我们说的内存使用栈都是虚拟机栈。
Java堆：存储对象实例、实例变量。可通过JVM参数参数设置其最小值和最大值，通常在生产环境中将两个值设置成相同，避免在GC后调整堆大小带来的额外压力。
二、栈管运行，堆管存储
1、栈
栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，生命周期随线程创建而创建、线程结束而结束，对栈来说不存在垃圾回收问题，基本类型的变量和对象的引用变量都是在栈内存中分配。栈帧中主要保存三类数据：局部变量表（参数及方法内的变量）、操作栈（字节码指令集的定义基于栈类型）、栈帧数据（类文件和方法等）、动态连接、方法返回地址等，即八大基本数据类型+引用类型+方法。
方法定义及方法之间的调用关系，导致对象之间产生的互动，存在栈中。栈中的数据都是以栈帧的格式存在，栈帧是一个有关方法和运行时数据集的内存区块，待执行的方法按照执行顺序入栈，执行完后按先进后出顺序出栈。执行过程中如果出现异常会进行异常回溯，返回地址通过异常处理表确定。栈空间撑破报StackOverFlow异常，表示请求的栈溢出导致内存耗尽，通常出现在递归方法中。
如图，在一个栈中有两个栈帧，栈帧2是先入栈的方法，然后方法2又调用了方法1，栈帧1处于栈顶的位置，栈帧2处于栈底，线程结束栈释放。每执行一个方法都会产生一个栈帧入栈，顶部栈就是当前的方法，该方法执行完后会自动将此栈帧出栈。
2、堆
堆分成新生代和老年代，对象产生之初在新生代，步入暮年时进入老年代，但是老年代也接纳在新生代无法容纳的超大对象。
新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生、应用、最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区分为两部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor space）。绝大部分的类都在伊甸区被new出来；幸存区有两个：0区（Survivor 0 space）和1区（Survivor 1 space）。
当伊甸区的空间用完时，程序又需创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸区垃圾回收（Minor/Young GC、YGC）。先将伊甸区中的没有被引用的对象进行清除销毁，然后将依然存活的对象移动到幸存区0区；若幸存区0区满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区（当前空闲的那块Survivor区）；若1区也满了则移动到养老区；若养老区满了，这个时候将产生Major GC（Full GC、FGC），进行养老区的内存清理；若养老区执行了Full GC之后依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常（Out Of Memory Error）。出错时的堆内存信息对解决问题非常有帮助，设置JVM参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError在发送OOM异常时输出堆内信息。
新生区可设置对象存活在Survivor区的次数，达到次数后直接移至老年代。养老区并不会频繁的进行垃圾回收，一般设置成15或31（次回收操作后都没有被处理到的时候），如数据库连接池等对象就是放在养老区。
永久存储区常驻内存区域，加载一些构建系统不能够被回收、且保证系统稳定运行的元元素，运行环境所必须的类信息，关闭JVM才会释放此区域所占用内存。永久代是方法区（相当于是一个借口interface）的一个实现，与堆是一个逻辑概念，但却不保存在堆中。常量池是方法区的一部分，我们新生成的字符串都在常量池里面。
JDK1.6及之前，有永久代，常量池在方法区。
JDK1.7，有永久代，但已经逐步“去永久代”，常量池在堆。
JDK1.8，无永久代，常量池在元空间。
3、附
如果程序出现了java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space异常，说明Java虚拟机内存不够，原因有二：（1）Java虚拟机堆内存设置不够，可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。（2）代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）。
如果程序出现了java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space异常，说明Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。一般出现这种情况，都是程序启动需要加载大量的第三方jar包。例如，在一个Tomcat下部署了太多的应用，或者大量动态反射生成的类不被加载，最终导致Perm区被占满。发生OOM的JVM详细日志的上一行一定是养老区的FullGC操作。Maven的作用之一也是为了避免永久代溢出（主要作用是包管理防止jar包冲突）。
三、JVM垃圾收集
1、以JDK1.7、1.8 + HotSpot为例
JDK1.8及之后将最初的永久代（PSPermGen）取消了，由元空间（Metaspace）取代，目的是将HotSpot和JRockit两个虚拟机标准合二为一，都是对JVM规范中方法区的实现，解决了永久代在垃圾回收中存在的诸多问题，如图，堆内存大小不包含永久代/元空间。元空间并不在虚拟机中，而是在本地内存，默认情况下元空间大小仅受本地内存限制，在JDK8里，Perm区的所有内容中字符串常量移至堆内存，其他内容包括类元信息、字段、静态属性、方法、常量等都移动至元空间内。
堆内存调优参数（同时设置多个参数用空格隔开）：
示例：-Xms1024m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails
其中：
-Xms：设置初始分配大小，默认为物理内存的“1/64”。
-Xmx：最大分配内存，默认为物理内存的“1/4”。
-XX:+PrintGCDetails：输出详细的GC处理日志。
Runtime.getRuntime().maxMemory(); //查看Java虚拟机试图使用的最大内存量
Runtime.getRuntime().totalMemory(); //查看Java虚拟机中的内存总量
其他：-XX: MaxPermSize=1280m，设置在JDK8之前的永久代固定加载的内存大小。
JDK1.7：
JDK1.8：
2、垃圾回收面试题
1）StackOverflowError和OutOfMemoryError，谈谈你的理解。
2）一般什么时候会发生GC？如何处理？
答：Java中的GC会有两种回收，年轻代的Minor GC和老年代的Major GC。新对象创建时，如果伊甸区空间不足会触发Minor GC，如果此时老年代的内存空间不足会触发Full GC，如果依旧空间不足会抛出OutOfMemoryError。
3）GC回收策略，谈谈你的理解。
答：年轻代（伊甸区+两个幸存区）的GC回收策略为“复制”；老年代的保存空间一般比较大，GC回收策略为“整理-压缩”。
四、GC算法应用原理
垃圾回收器是实现垃圾回收算法并应用在JVM环境中的内存管理模块，当前实现的垃圾回收器有数十种，如Serial、CMS、G1。JDK7推出的G1垃圾回收方式，通过-XX:+UseG1GC参数启用，JDK11将G1作为默认垃圾回收器，在JDK11中还引入了实验性质（仅支持Linux环境下）的新GC算法ZGC，。
为了判断对象是否存活，JVM引入了GC Roots，如果一个对象与GC Roots之间没有直接或间接的引用关系，判决这些对象是可以回收的。JVM分代收集算法原则：频繁收集Young区，较少收集Old区，基本不动Perm区。
对象回收算法包括引用计数法和可达性分析算法。引用计数法简单高效，唯一缺点是当两个对象互相引用时无法被回收。可达性分析算法是通过一系列GC Roots的对象作为起点，搜索走过的路径形成引用链，当一个对象没有与任何引用链相连，表示对象不可达，可以内存回收。
垃圾回收算法包括标记、清理算法、复制算法、标记整理算法、分代回收算法。其中新生代一般采用复制算法，老生代采用标记整理算法。
相关设置参数：
-XX:MaxTenuringThreshold：设置对象在新生代中存活的次数，默认15。
1、引用计数法
主要用于判断对象是否存活（可达性分析算法完成同样的功能）。已经淘汰，因为都不好解决双端循环引用问题。判断是否存活还有可达性分析方法：强弱软虚引用。
2、复制算法Copying
简介：普通GC一般发生在年轻代，此区域用到的算法是轻量级的Minor GC，这种GC算法采用的是复制算法Copying。Minor GC会把Eden中所有活动的对象都移到Survivor区域中，如果Survivor放不下，剩下的活动对象被移到Old generation中，也即一旦收集后，Eden就变成空的了。
原理：一般新创建的对象都被分配在Eden区（一些大对象特殊处理：大对象、长期存活的对象直接进入老年代）。当对象在Eden（包括一个Survivor区域，这里假设是from区域）出生，经过一次Minor GC后如果对象还存活，并且能够被另外一个Survivor区域所容纳（前面已经假设为from区域，这里应为to区域，即to区域有足够的空间来存储Eden和from区域中存活的对象），则使用 复制算法 将这些仍然存活的对象复制到另一块Survivor区域（即to区），然后清理所使用过的Eden以及Survivor区域（即from区域），并且将这些对象的年龄设置为1，以后在Survivor区每熬过一次Minor GC，就将年龄+1，当对象达到某个值时（默认15岁，通过 -XX:MaxTenuringThreshold 来设定参数），这些对象就会成为老年代。（口诀：谁空谁是to、复制要交换：即s0和s1谁是from谁是to是一直在来回多次改变的）。如图，红色代表回收不了的需要进入老年代、黄色代表需要被清除、绿色的是仅存剩余空间。
HotSpot把JVM分成三部分：1个Eden区和2个Survivor区（from和to），默认比例为 8:1:1。由于年轻代中的对象基本都是存活率较低的，所以在年轻代的回收算法使用该复制算法，回收后剩余的对象全部复制到to区，不会产生内存碎片，完整度高，缺点是浪费了Survivor的一半的存空间，所以该算法只适合对象存活率低的情况。
3、标记清除算法
该算法会从每个GC Roots出发，依次标记有引用关系的对象，最后将没有被标记的对象清除。老年代一般是标记清除（Mark-Sweep），或标记清除与标记整理的混合实现。缺点：1、效率低（递归与全堆对象遍历），而且进行GC的时候，需要停止应用程序，用户体验差；2、清理出来的内存地址不连续，JVM需维持一内存空闲列表的开销；3、分配数组对象的时候，寻找连续内存空间不方便。
4、标记整理算法
标记整理（Mark-Compact），Full GC又叫Major GC（全局GC）。上一个算法会带来大量的空间碎片，导致要分配一个较大的连续空间容易触发FGC，标记整理算法类似计算机的磁盘整理，形成连续已使用的内存空间，未使用的清理掉。缺点：效率低于复制算法（要整理所有存活对象的引用地址）。
5、G1、CMS回收器算法
G1具备压缩功能，能避免碎片问题，G1的暂停程序时间更可控。G1将Java堆空间分割成了若干相同大小的区域，及region，包括Eden、Survivor、Old、Humongous四种region类型。
CMS过程：初始标记(STW initial mark)、并发标记(Concurrent marking)、并发预清理(Concurrent precleaning)
、重新标记(STW remark)、并发清理(Concurrent sweeping)、并发重置(Concurrent reset)。
6、总结
执行效率：复制算法>标记清除>标记整理
内存整齐度：复制算法=标记压缩>标记清除
内存利用率：标记清除=标记压缩>复制算法
在Java 9 默认采用了G1垃圾回收器，采用了时间复杂度和空间利用率都非常出色的算法。
7、相关命令行工具
jps：m（显示类入口参数）、l（显示进程包名类名）、v（显示VM参数信息）。
jstat -gcutil pid：显示pid进程的VM使用信息，后面可接两个数字参数：打印间隔时间、打印次数。
javap -verbose -p A.class：查看对象创建的字节码。
