运行时数据区域

JVM 运行时数据区域分为五个部分：

1. 方法区
2. 堆
3. 虚拟机栈
4. 本地方法栈
5. 程序计数器

特殊区域：直接内存

一、方法区

二、堆

堆是 Java 虚拟机管理的内存中最大的一块，是被所有线程所共享的一块区域。

所有的对象及数组都是在堆上面分配空间存储，也是被垃圾收集器管理的区域。

1. 分代收集理论

根据对象命令周期的不同将堆内存区域分成多个不同的区域，以便更高效的进行垃圾回收。

大部分的虚拟机主要分为三个部分：

1. 新生代：新创建的对象首先被分配在这里。
   1. 年轻代又细分为一个Eden区和两个Survivor区（通常称为From和To）。
   2. 大部分对象在Eden区生成，并且很快成为垃圾。
   3. 存活下来的对象会通过Minor GC（轻量级垃圾收集）移动到其中一个Survivor区。
   4. 之后在两个Survivor区间来回移动直至达到一定年龄阈值，最后被晋升到老年代。
2. 老年代：用于存放那些在年轻代中经历了多次垃圾回收仍然存活的对象。
   1. 这些对象被认为是长期存活的，因此被移到老年代中。
   2. 老年代的空间相对较大，垃圾回收的频率比年轻代低得多，但每次回收的成本更高，这种垃圾回收被称为Major GC或Full GC。
3. 永久代/永久代：在Java 8之前，这个区域用于存储类的元数据、方法信息等，称为永久代。
   1. 从Java 8开始，永久代被移除，取而代之的是元空间（Metaspace），它直接使用本地内存而不是堆内存。
   2. 元空间主要用于存储类的结构如运行时常量池、字段和方法数据以及方法和构造函数的代码等。

2. 垃圾收集算法

1. 标记-清除（Mark-Sweep）算法

   1. 工作原理：首先从根节点开始遍历对象图，标记所有可达的对象；然后进行一次遍历，清除未被标记的对象。
   2. 优点：简单直接，不需要额外空间。
   3. 缺点：会产生内存碎片，导致后续分配大对象时可能出现连续空间不足的问题。

2. 复制（Copying）算法

   1. 工作原理：将可用内存分为两个等大的区域，每次只使用其中一个。当需要进行垃圾回收时，将存活的对象复制到另一个区域，然后清空当前使用的区域。
   2. 优点：解决了内存碎片问题，实现简单高效。
   3. 缺点：内存利用率较低，因为每次只能使用一半的内存。

3. 标记-整理（Mark-Compact）算法

   1. 工作原理：类似于标记-清除，但在清除未标记对象之后，会将剩余对象移动到内存的一端，使空闲空间集中在另一端。
   2. 优点：避免了内存碎片问题，同时提高了内存利用率。
   3. 缺点：相比单纯的标记-清除，增加了对象移动的成本。

3. 垃圾收集器

1. Serial /ˈsɪəriəl/ 收集器

   • 工作原理：使用单线程进行垃圾回收，执行时会暂停所有其他工作线程（Stop-The-World）。
   • 优点：简单高效，适合于单核处理器或小型应用。
   • 缺点：在多核处理器上性能不佳，因为只能利用一个CPU核心。

2. ParNew收集器

   • 工作原理：是Serial收集器的多线程版本，适用于新生代的垃圾收集。
   • 优点：能够并行处理，适合多核环境；可以与CMS收集器配合使用。
   • 缺点：依然存在Stop-The-World事件，在某些情况下可能不如CMS效率高。

3. Parallel Scavenge /ˈpærəlel/ 收集器

   • 工作原理：专注于提高吞吐量，采用多线程进行新生代垃圾收集。
   • 优点：通过增加吞吐量来减少GC总时间，特别适合批处理任务。
   • 缺点：较高的停顿时间，不适合对响应时间敏感的应用。

4. Serial Old收集器

   • 工作原理：Serial 的老年代版本，使用标记-整理算法。
   • 优点：适用于客户端模式下的虚拟机。
   • 缺点：仅限于单线程操作，不适合服务器端应用。

5. Parallel Old收集器

   • 工作原理：Parallel Scavenge的老年代版本，支持多线程并行收集。
   • 优点：提高了老年代的回收效率，适合注重吞吐量的应用。
   • 缺点：仍然会有较长的停顿时间。

6. CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

   • 工作原理：旨在减少停顿时间，采用 标记-清除算法，并尽可能地并发运行。
   • 优点：低延迟，适合需要快速响应的应用程序。
   • 缺点：消耗更多CPU资源，可能导致碎片化问题，偶尔会出现Full GC导致长时间停顿。

7. G1（Garbage First）收集器

   • 工作原理：将堆分为多个Region，根据各区域垃圾数量优先清理含最多可回收垃圾的区域。支持并行和并发操作，且具备压缩功能以避免内存碎片。
   • 优点：预测可控的停顿时间，适合大型堆。
   • 缺点：复杂度较高，额外的维护成本可能会占用较多的内存。

8. ZGC（Z Garbage Collector）

   • 工作原理：设计用于大内存堆的低延迟垃圾收集器，采用了读屏障、染色指针等技术实现并发操作，尽量减少停顿时间。
   • 优点：极低的停顿时间，即使对于非常大的堆也能有效管理。
   • 缺点：需要更多的CPU资源，并且在早期版本中被认为是实验性质的。

三、虚拟机栈

虚拟机栈遵循 First In Last Out的操作原则，操作元素是栈帧。

当方法执行的时候会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。

每一个方法执行开始和结束都对应一个栈帧的入栈和出栈。

四、本地方法栈

本地方法栈主要用于存储本地方法调用时的栈帧信息，确保Java程序能够与用其他语言编写的功能模块进行交互。

五、程序计数器

程序计数器是实现多线程并发的基础。

如果当前线程执行的是本地方法，那么存储的就是空。

通常情况下程序计数器只需要存储字节码地址所需要的空间即可，因此程序计数器也是《Java虚拟机规范》中没有规定任何 OutOfMemoryError （OOM）情况的地方。

六、直接内存

直接内存也称堆外内存，不是JVM规范的一部分，不受JVM堆大小限制，是Java通过本地方法创建的，也会出现 OOM 错误。