java是目前全球最火的语言，热度也是最高的，相信做开发的你肯定用过，那我就要问问，你仅仅是用过还是了解它的底层机制和执行原理呢？那么今天我们就揭开它神秘的面纱，看看jvm在我们开发的时候帮我们做了哪些事情；说到这里，有个小兄弟要问了：“我会用不就行了吗？了解它干啥呢？难不成我要自己写一个jvm出来？if 和 for 语句我用得可顺手，了解它的底层机制有卵用？”；唉~ ，这位小兄弟，你先别急啊，首先呢，用只是基础，就像开发一样，增删改查就是一个开发人员的基础，难不成你想一辈子都干增删改查吗？学习这些还不是为了让我们收入蹭蹭往上涨，让我们通往架构师的路越来越顺畅；安安静静地坐下来，让我们开始学习吧！

java虚拟机类加载过程

首选，项目启动后，jvm 会去加载每一个class字节码文件，将class内存加载到内存空间里面；内存空间主要分为四块，分别是堆内存、java栈、本地方法栈、方法区（永久区），加载过程如下图：

接下来我们看看内存空间里的每个东西都有什么作用

堆内存

堆内存是java里面最主要的内存空间，只要是new出来的对象都是放在这里的，当然数组也是放在这个空间里面的，堆内存里面还包含新生代和老年代；

新生代（年轻代）：存放刚new出来的对象，新生代又划分为 eden 区和survivore区(幸存者)，survivore区又划分为 form 区和 to 区，form区和 to 区的内存容量的大小是一样的，刚new出来的对象都会先放到Eden区，gc进行回收的时候发现new出来的对象经常被使用，就会晋升到survivore区，，下次GC清理时发现这个对象还是经常使用，就会晋升到老年代里面，其中 GC线程也是在新生代里面的；survivore区、 form 区、 to 区的比例为 8：1：1；

老年代：存放比较活跃的对象，GC回收的时候发现某个对象很活跃，Gc回收时发现这个对象超过一定次数了（jdk1.7默认是15次）还是很活跃，就会把这个对象晋升到老年代里面；老年代的内存很少回收，除非是内存满了才会进行回收；由 fullGC 进行回收；

堆内存结构图 ↓

java栈

java栈属于子线程专用的内存空间，存储基本数据类型和对象引用，每个线程都有自己独立的栈区，数据不共享；进栈（压栈）和出栈遵循先进后出的顺序

本地方法栈

java语言调用外部语言使用的局部变量都存放在本地方法栈中，java有些api会调用c语言或c++；

方法区（永久区）

方法区主要存储静态资源，比如静态变量、静态方法、常量都是存储到方法区的；

PC寄存器（程序计数器）

当前线程所执行的字节码行号指示器，就是告诉你代码走到哪一行了；

GC Roots

说白了， GC Roots就是存储堆外指向对内的引用，java中的栈、本地方法栈、方法区都可以作为GC Roots 的引用对象使用；当对象可达时，GC Roots就会有一个对这个对象的引用关系，如果没有此对象的引用，则被认为不可达，jvm的垃圾回收机制会将不可达的对象内存进行回收操作；

垃圾回收机制的种类

Minor GC ：回收新生代空间
Full GC ：回收老年代空间，Full Gc也能回收永久代空间，当永久代满了之后，或者是占用容量超过了你配置的临界值，就会触发完全垃圾回收，
Major GC ：回收永久代空间，Full Gc也能回收永久代空间

GC什么时候回收？

垃圾回收机制是不定时回收的，可以调用System.gc();方法提示gc进行垃圾回收，但是这个方法仅仅是提醒gc进行回收，而不是强制回收；
另外，每个类都可以通过重写 finalize() 方法，这个方法可以在gc回收之前做一些操作，就是你想让垃圾回收之前执行哪些代码，使用时必须是Object 的子类，直接new Object(); 然后重写finalize方法不会执行 finalize 方法；

垃圾回收机制算法

接下来就要深入地去了解垃圾回收机制的算法了，让我们看看最底层是怎么进行回收内存的吧！

1、引用计数法（已废弃--会产生循环依赖问题）

每个new 出来的对象都有一个年龄，默认0岁，每引用一次 + 1岁，Gc每扫描一次，发现没被引用，则会 - 1 岁，当到达一定岁数时，会晋升到老年代；当岁数减至 0 时，Gc 会将其回收；下图说明了引用计数法的回收原理

乍一看这个回收机制还挺好用的呀，为什么会废弃了呢？因为它无法解决循环依赖的问题，什么是循环依赖呢？我们先看看下面的代码


public static void main(String[] args)  {
        Test test_A = new Test();
        Test test_B = new Test();
 
        // 关键代码 循环依赖
        test_A = test_B;
        test_B = test_A;
 
        // 就算设置为null，gc还是不会回收，因为有循环依赖问题
        test_A = null;
        test_B = null;
 
        // 假设在这里进行回收，test_A和test_B都不会被gc回收，因为他们循环依赖了
        System.gc();
}

通过上面的代码我们可以看到关键代码的部分一开始 test_A = test_B，然后又执行了test_B = test_A，这就会产生循环依赖问题，因为相互引用，在内部产生了闭环，就会导致它们的年龄永远不会为0，也就不会被gc回收；

2、标记清除算法（可解决循环依赖问题，但是会产生内存碎片化问题，一般用在老年代，）

要了解标记清除算法，我们得先理解一个概念，就是每个对象new 出来之后都有一个标记，这个标记有2种状态：
1：表示可达（被引用）；
0：表示不可达（未被引用）；
对象new出来之后默认为 1 ，被引用后也为 1，GC 扫描对象后，如果发现obj正在被引用，则会将标记置为 1，GC扫描时如发现对象未被引用，则标记为 0。随后GC会对循环遍历堆内存中标识为 0 的对象进行清理；整个清理过程如下

下图我们可以看到清除前和清除后的内存变化，其中绿色为可用对象，红色为不可用对象

清理为什么会产生碎片化呢？
因为是循环遍历去清理的，也就是一个个地去删除，删除的同时也会有新的对象存进去，内存存储这些大小不一的对象是存储到不同的地方去，但是当GC清理对象的时候，虽然已经内存清理已经完成了，但是它仍然还有碎片残留在别的地方；这就产生了碎片化；所以标记清除算法一般用在老年代里面，因为老年代回收的频率比较少，即使有一些碎片也无所谓！

3、标记压缩算法（标记整理算法）

标记压缩算法其实是在标记清除算法的基础上进行改进的，有相似之处，重点是标记压缩算法可以解决内存碎片化的问题，压缩算法会将标记为可达对象移到到堆内存的同一个区域中，使它们紧凑地排列在一起，因为刚刚已经将可达对象移走了，所以剩下的就都是不可达对象了，这时候在进行集中清理不可达对象；相当于一把删除，在进行碎片化整理，这样就不会有碎片化的问题存在了，具体流程图如下；

下图为我们展示了标记压缩算法清理前和清理后的内存结构变化

4、根搜索算法

这个算法的基本思想是通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点向下搜索，搜索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（即GC Roots到对象不可达）时，则证明此对象是不可用的；GC Roots的引用链是一个树形结构，如下图：

在看看下面的图进行具体分析

从上图，方法区、虚拟机栈、本地方法栈都是GC Roots，可以看出：

方法区-> 对象实例User1；
虚拟机栈-> 对象实例User2；
本地方法栈 -> 对象实例User4；
本地方法栈 -> 对象实例User4 -> 对象实例User6；

可以得出对象实例1、2、4、6都具有GC Roots可达性，也就是存活对象，不能被GC回收的对象。
而对于对象实例3、5直接虽然连通，但并没有任何一个GC Roots与之相连，这便是GC Roots不可达的对象，这就是GC需要回收的垃圾对象。

5、复制算法

复制算法是为了解决效率问题而衍生出来的一种算法，顾名思义，就是以复制的形式进行垃圾回收，把原来的内存划分为大小相等的2块区域，每次只使用其中一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为了原来的一半；复制算法的执行过程如下：

1、首先，实例化 2个对象，分别为 obj1 和 obj2 ，只要是new的对象一开始都被存放到 eden 区；

2、一段时间后，gc发现 obj1 和 obj2 都还在被引用，都是可达对象，此时将 obj1 和 obj2 移到 from区；

3、gc会不定时地清理from区的垃圾，扫描的时候时候发现 obj1 还是可达的对象，但是 obj2 已经是不可达对象了，就会将可达的 obj1复制到to去，同时清空from区

4、最后 obj1 已经到达15岁了，到了可以晋升的年龄，就会晋升到老年区，同时清空to区；

以上就是整个复制算法的晋升过程了，

6、分代算法

分代算法就相当于整合了以上每个算法，根据实际情况挑选出最合适的算法进行回收垃圾，根据对象的存活周期的不同将内存划分成几块，新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法；

完

以上就是各种算法的详解和图解，各位观众朋友们，你看明白了吗？

java虚拟机内存结构和垃圾回收机制算法详解