一. 基本概念：
JVM是可運行Java代碼的假想計算機 ，包括一套字節碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收堆 和 一個存儲方法域。JVM 是運行在操作系統之上的，它與硬件沒有直接的交互。
二. 運行過程：
我們都知道 Java 源文件，通過編譯器，能夠生產相應的.Class 文件，也就是字節碼文件，而字節碼文件又通過 Java 虛擬機中的解釋器，編譯成特定機器上的機器碼 。也就是如下：
① Java 源文件—->編譯器—->字節碼文件
② 字節碼文件—->JVM—->機器碼
每一種平臺的解釋器是不同的，但是實現的虛擬機是相同的，這也就是 Java 爲什麼能夠跨平臺的原因了 ，當一個程序從開始運行，這時虛擬機就開始實例化了，多個程序啓動就會存在多個虛擬機實例。程序退出或者關閉，則虛擬機實例消亡，多個虛擬機實例之間數據不能共享。
三. 線程
這裏所說的線程指程序執行過程中的一個線程實體。JVM 允許一個應用併發執行多個線程。Hotspot JVM 中的 Java 線程與原生操作系統線程有直接的映射關係。當線程本地存儲、緩衝區分配、同步對象、棧、程序計數器等準備好以後，就會創建一個操作系統原生線程。Java 線程結束，原生線程隨之被回收。操作系統負責調度所有線程，並把它們分配到任何可用的 CPU 上。當原生線程初始化完畢，就會調用 Java 線程的 run() 方法。當線程結束時，會釋放原生線程和 Java 線程的所有資源。
Hotspot JVM 後臺運行的系統線程主f要有下面幾個：
| 虛擬機線程 （VM thread） |
這個線程等待 JVM 到達安全點操作出現。這些操作必須要在獨立的線程裏執行，因爲當堆修改無法進行時，線程都需要 JVM 位於安全點。這些操作的類型有：stop-the-world 垃圾回收、線程棧 dump、線程暫停、線程偏向鎖（biased locking）解除。 |
| 週期性任務線程 |
這線程負責定時器事件（也就是中斷），用來調度週期性操作的執行。 |
| GC 線程 |
這些線程支持 JVM 中不同的垃圾回收活動。 |
| 編譯器線程 |
這些線程在運行時將字節碼動態編譯成本地平臺相關的機器碼。 |
| 信號分發線程 |
這個線程接收發送到 JVM 的信號並調用適當的 JVM 方法處理。 |
四. JVM 內存區域
JVM 內存區域主要分爲線程私有區域【程序計數器、虛擬機棧、本地方法區】、線程共享區域【JAVA 堆、方法區】、直接內存。
線程私有數據區域生命週期與線程相同, 依賴用戶線程的啓動/結束 而 創建/銷燬(在 HotspotVM 內, 每個線程都與操作系統的本地線程直接映射, 因此這部分內存區域的存/否跟隨本地線程的生/死對應)。
線程共享區域隨虛擬機的啓動/關閉而創建/銷燬。直接內存並不是 JVM 運行時數據區的一部分, 但也會被頻繁的使用: 在 JDK 1.4 引入的 NIO 提供了基於 Channel 與 Buffer 的 IO 方式, 它可以使用 Native 函數庫直接分配堆外內存, 然後用DirectByteBuffer 對象作爲這塊內存的引用進行操作(詳見: Java I/O 擴展), 這樣就避免了在 Java堆和 Native 堆中來回複製數據, 因此在一些場景中可以顯著提高性能。
4.1. 程序計數器( 線程私有)
一塊較小的內存空間, 是當前線程所執行的字節碼的行號指示器，每條線程都要有一個獨立的程序計數器，這類內存也爲“線程私有”的內存。正在執行 java 方法的話，計數器記錄的是虛擬機字節碼指令的地址（當前指令的地址）。如果還是 Native 方法，則爲空。這個內存區域是唯一一個在虛擬機中沒有規定任何 OutOfMemoryError 情況的區域。
4.2. 虛擬機棧( 線程私有)
是描述java方法執行的內存模型，每個方法在執行的同時都會創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法從調用直至執行完成的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。棧幀（ Frame）是用來存儲數據和部分過程結果的數據結構，同時也被用來處理動態鏈接(Dynamic Linking)、 方法返回值和異常分派（ Dispatch Exception）。棧幀隨着方法調用而創建，隨着方法結束而銷燬——無論方法是正常完成還是異常完成（拋出了在方法內未被捕獲的異常）都算作方法結束。
2020.02.24更新
4.3. 本地方法區( 線程私有)
本地方法區和 Java Stack 作用類似, 區別是虛擬機棧爲執行 Java 方法服務, 而本地方法棧則爲Native 方法服務, 如果一個VM 實現使用 C-linkage 模型來支持 Native 調用, 那麼該棧將會是一個C 棧，但 HotSpot VM 直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二爲一。
4.4. 堆（Heap- 線程共享）- 運行時數據區
是被線程共享的一塊內存區域，創建的對象和數組都保存在 Java 堆內存中，也是垃圾收集器進行垃圾收集的最重要的內存區域。由於現代 VM 採用分代收集算法, 因此 Java 堆從 GC 的角度還可以細分爲: 新生代( Eden 區 、 From Survivor 區 和 To Survivor 區 )和老年代。
4.5. 方法區/ 永久代 （線程共享）
即我們常說的永久代(Permanent Generation), 用於存儲被 JVM 加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據. HotSpot VM把GC分代收集擴展至方法區, 即使用Java堆的永久代來實現方法區, 這樣 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一樣管理這部分內存,而不必爲方法區開發專門的內存管理器(永久帶的內存回收的主要目標是針對常量池的回收和類型
的卸載, 因此收益一般很小)。
運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項信息是常量池（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載後存放到方法區的運行時常量池中。 Java 虛擬機對 Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴格的規定，每一個字節用於存儲哪種數據都必須符合規範上的要求，這樣纔會被虛擬機認可、裝載和執行。
五. JVM 運行時內存
Java 堆從 GC 的角度還可以細分爲: 新生代( Eden 區 、 From Survivor 區 和 To Survivor 區 )和老年代。
5.1. 新生代
是用來存放新生的對象。一般佔據堆的1/3空間。由於頻繁創建對象，所以新生代會頻繁觸發MinorGC 進行垃圾回收。新生代又分爲 Eden 區、ServivorFrom、ServivorTo 三個區。
5.1.1. Eden 區
Java新對象的出生地（如果新創建的對象佔用內存很大，則直接分配到老年代）。當Eden區內存不夠的時候就會觸發MinorGC，對新生代區進行一次垃圾回收。
5.1.2. ServivorFrom
上一次 GC 的倖存者，作爲這一次 GC 的被掃描者。
5.1.3. ServivorTo
保留了一次 MinorGC 過程中的倖存者。
5.1.4. MinorGC 的過程（複製->清空->互換）
MinorGC 採用複製算法。
1 ： eden 、 servicorFrom 複製到 ServicorTo，年齡+1；首先，把 Eden和 ServivorFrom區域中存活的對象複製到 ServicorTo區域（如果有對象的年齡以及達到了老年的標準，則賦值到老年代區），同時把這些對象的年齡+1（如果 ServicorTo 不夠位置了就放到老年區）；
2 ： 清空 eden 、 servicorFrom然後，清空 Eden 和 ServicorFrom 中的對象；
3 ： ServicorTo 和 ServicorFrom 互換最後，ServicorTo 和 ServicorFrom 互換，原 ServicorTo 成爲下一次 GC 時的ServicorFrom區。
5.2. 老年代
主要存放應用程序中生命週期長的內存對象。老年代的對象比較穩定，所以 MajorGC 不會頻繁執行。在進行 MajorGC 前一般都先進行了一次 MinorGC，使得有新生代的對象晉身入老年代，導致空間不夠用時才觸發。當無法找到足夠大的連續空間分配給新創建的較大對象時也會提前觸發一次 MajorGC 進行垃圾回收騰出空間。
MajorGC 採用標記清除算法：首先掃描一次所有老年代，標記出存活的對象，然後回收沒有標記的對象。MajorGC 的耗時比較長，因爲要掃描再回收。MajorGC 會產生內存碎片，爲了減少內存損耗，我們一般需要進行合併或者標記出來方便下次直接分配。當老年代也滿了裝不下的時候，就會拋出 OOM（Out of Memory）異常。
5.3. 永久代
指內存的永久保存區域，主要存放 Class 和 Meta（元數據）的信息,Class 在被加載的時候被放入永久區域，它和和存放實例的區域不同,GC 不會在主程序運行期對永久區域進行清理。所以這也導致了永久代的區域會隨着加載的 Class 的增多而脹滿，最終拋出 OOM 異常。
六. 垃圾回收與算法
6.1. 如何確定垃圾
6.1.1. 引用計數法
在 Java 中，引用和對象是有關聯的。如果要操作對象則必須用引用進行。因此，很顯然一個簡單的辦法是通過引用計數來判斷一個對象是否可以回收。簡單說，即一個對象如果沒有任何與之關聯的引用，即他們的引用計數都不爲 0，則說明對象不太可能再被用到，那麼這個對象就是可回收對象。
6.1.2. 可達性分析
爲了解決引用計數法的循環引用問題，Java 使用了可達性分析的方法。通過一系列的“GC roots”對象作爲起點搜索。如果在“GC roots”和一個對象之間沒有可達路徑，則稱該對象是不可達的。
要注意的是，不可達對象不等價於可回收對象，不可達對象變爲可回收對象至少要經過兩次標記過程。兩次標記後仍然是可回收對象，則將面臨回收。
6.2. 標記清除算法（ Mark-Sweep ）
最基礎的垃圾回收算法，分爲兩個階段，標註和清除。標記階段標記出所有需要回收的對象，清除階段回收被標記的對象所佔用的空間。如圖
從圖中我們就可以發現，該算法最大的問題是內存碎片化嚴重，後續可能發生大對象不能找到可利用空間的問題。
6.3. 複製算法（copying ）
爲了解決 Mark-Sweep 算法內存碎片化的缺陷而被提出的算法。按內存容量將內存劃分爲等大小的兩塊。每次只使用其中一塊，當這一塊內存滿後將尚存活的對象複製到另一塊上去，把已使用的內存清掉，如圖：
這種算法雖然實現簡單，內存效率高，不易產生碎片，但是最大的問題是可用內存被壓縮到了原本的一半。且存活對象增多的話，Copying 算法的效率會大大降低。
6.4. 標記整理算法(Mark-Compact)
結合了以上兩個算法，爲了避免缺陷而提出。標記階段和 Mark-Sweep 算法相同，標記後不是清理對象，而是將存活對象移向內存的一端。然後清除端邊界外的對象。如圖：
6.5. 分代收集算法
分代收集法是目前大部分 JVM 所採用的方法，其核心思想是根據對象存活的不同生命週期將內存劃分爲不同的域，一般情況下將 GC 堆劃分爲老生代(Tenured/Old Generation)和新生代(YoungGeneration)。老生代的特點是每次垃圾回收時只有少量對象需要被回收，新生代的特點是每次垃圾回收時都有大量垃圾需要被回收，因此可以根據不同區域選擇不同的算法。
6.5.1. 新生代與複製算法
目前大部分 JVM 的 GC 對於新生代都採取 Copying 算法，因爲新生代中每次垃圾回收都要回收大部分對象，即要複製的操作比較少，但通常並不是按照 1：1 來劃分新生代。一般將新生代劃分爲一塊較大的 Eden 空間和兩個較小的 Survivor 空間(From Space, To Space)，每次使用Eden 空間和其中的一塊 Survivor 空間，當進行回收時，將該兩塊空間中還存活的對象複製到另
一塊 Survivor 空間中。
6.5.2. 老年代與標記複製算法
而老年代因爲每次只回收少量對象，因而採用 Mark-Compact 算法。
1. JAVA 虛擬機提到過的處於方法區的永生代(Permanet Generation)，它用來存儲 class 類，常量，方法描述等。對永生代的回收主要包括廢棄常量和無用的類。
2. 對象的內存分配主要在新生代的 Eden Space 和 Survivor Space 的 From Space(Survivor 目前存放對象的那一塊)，少數情況會直接分配到老生代。
3. 當新生代的 Eden Space 和 From Space 空間不足時就會發生一次 GC，進行 GC 後，EdenSpace 和 From Space 區的存活對象會被挪到 To Space，然後將 Eden Space 和 FromSpace 進行清理。
4. 如果 To Space 無法足夠存儲某個對象，則將這個對象存儲到老生代。
5. 在進行 GC 後，使用的便是 Eden Space 和 To Space 了，如此反覆循環。
6. 當對象在 Survivor 區躲過一次 GC 後，其年齡就會+1。默認情況下年齡到達 15 的對象會被移到老生代中。
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