【正文】
面試必問關鍵詞：JVM垃圾回收、類加載機制。
先把本文的目錄畫一個思維導圖：（圖的源文件在本文末尾）
一、Java引用的四種狀態：
強引用：
用的最廣。我們平時寫代碼時，new一個Object存放在堆內存，然後用一個引用指向它，這就是強引用。
如果一個對象具有強引用，那垃圾回收器絕不會回收它。當內存空間不足，Java虛擬機寧願拋出OutOfMemoryError錯誤，使程序異常終止，也不會靠隨意回收具有強引用的對象來解決內存不足的問題。
軟引用：
如果一個對象只具有軟引用，則內存空間足夠時，垃圾回收器就不會回收它；如果內存空間不足了，就會回收這些對象的內存。（備注：如果內存不足，隨時有可能被回收。）
只要垃圾回收器沒有回收它，該對象就可以被程序使用。軟引用可用來實現內存敏感的高速緩存。
弱引用：
弱引用與軟引用的區別在於：只具有弱引用的對象擁有更短暫的生命周期。
每次執行GC的時候，一旦發現了只具有弱引用的對象，不管當前內存空間足夠與否，都會回收它的內存。不過，由於垃圾回收器是一個優先級很低的線程，因此不一定會很快發現那些只具有弱引用的對象。
虛引用：
“虛引用”顧名思義，就是形同虛設，與其他幾種引用都不同，虛引用並不會決定對象的生命周期。如果一個對象僅持有虛引用，那麼它就和沒有任何引用一樣，在任何時候都可能被垃圾回收器回收。
虛引用主要用來跟蹤對象被垃圾回收器回收的活動。
注：關於各種引用的詳解，可以參考這篇博客：
http://zhangjunhd.blog.51cto.com/113473/53092
二、Java中的內存劃分：
Java程序在運行時，需要在內存中的分配空間。為了提高運算效率，就對數據進行了不同空間的劃分，因為每一片區域都有特定的處理數據方式和內存管理方式。
棧內存）為虛擬機執行java方法服務：方法被調用時創建棧幀-->局部變量表->局部變量、對象引用
GC對它們的回收：
內存區域中的程序計數器、虛擬機棧、本地方法棧這3個區域隨著線程而生，線程而滅；棧中的棧幀隨著方法的進入和退出而有條不紊地執行著出棧和入棧的操作，每個棧幀中分配多少內存基本是在類結構確定下來時就已知的。在這幾個區域不需要過多考慮回收的問題，因為方法結束或者線程結束時，內存自然就跟著回收了。
GC回收的主要對象：而Java堆和方法區則不同，一個接口中的多個實現類需要的內存可能不同，一個方法中的多個分支需要的內存也可能不一樣，我們只有在程序處於運行期間時才能知道會創建哪些對象，這部分內存的分配和回收都是動態的，GC關注的也是這部分內存，後面的文章中如果涉及到“內存”分配與回收也僅指著一部分內存。
1、程序計數器：（線程私有）
每個線程擁有一個程序計數器，在線程創建時創建，
指向下一條指令的地址
執行本地方法時，其值為undefined
說的通俗一點，我們知道，Java是支持多線程的，程序先去執行A線程，執行到一半，然後就去執行B線程，然後又跑回來接著執行A線程，那程序是怎麼記住A線程已經執行到哪裡了呢？這就需要程序計數器了。因此，為了線程切換後能夠恢復到正確的執行位置，每條線程都有一個獨立的程序計數器，這塊兒屬於“線程私有”的內存。
2、Java虛擬機棧：（線程私有）
每個方法被調用的時候都會創建一個棧幀，用於存儲局部變量表、操作棧、動態鏈接、方法出口等信息。局部變量表存放的是：編譯期可知的基本數據類型、對象引用類型。
每個方法被調用直到執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機中從入棧到出棧的過程。
在Java虛擬機規范中，對這個區域規定了兩種異常情況：
（1）如果線程請求的棧深度太深，超出了虛擬機所允許的深度，就會出現StackOverFlowError（比如無限遞歸。因為每一層棧幀都占用一定空間，而 Xss 規定了棧的最大空間，超出這個值就會報錯）
（2）虛擬機棧可以動態擴展，如果擴展到無法申請足夠的內存空間，會出現OOM
3、本地方法棧：
（1）本地方法棧與java虛擬機棧作用非常類似，其區別是：java虛擬機棧是為虛擬機執行java方法服務的，而本地方法棧則為虛擬機執使用到的Native方法服務。
（2）Java虛擬機沒有對本地方法棧的使用和數據結構做強制規定，Sun HotSpot虛擬機就把java虛擬機棧和本地方法棧合二為一。
（3）本地方法棧也會拋出StackOverFlowError和OutOfMemoryError。
4、Java堆：即堆內存（線程共享）
（1）堆是java虛擬機所管理的內存區域中最大的一塊，java堆是被所有線程共享的內存區域，在java虛擬機啟動時創建，堆內存的唯一目的就是存放對象實例幾乎所有的對象實例都在堆內存分配。
（2）堆是GC管理的主要區域，從垃圾回收的角度看，由於現在的垃圾收集器都是采用的分代收集算法，因此java堆還可以初步細分為新生代和老年代。
（3）Java虛擬機規定，堆可以處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上連續的即可。在實現上既可以是固定的，也可以是可動態擴展的。如果在堆內存沒有完成實例分配，並且堆大小也無法擴展，就會拋出OutOfMemoryError異常。
5、方法區：（線程共享）
（1）用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據。
（2）Sun HotSpot虛擬機把方法區叫做永久代（Permanent Generation），方法區中最終要的部分是運行時常量池。
6、運行時常量池：
（1）運行時常量池是方法區的一部分，自然受到方法區內存的限制，當常量池無法再申請到內存時就會拋出OutOfMemoryError異常。
注：關於本段的詳細內容，可以參考本人的另外一篇博客：Java虛擬機詳解02----JVM內存結構
三、Java對象在內存中的狀態：
可達的/可觸及的：
Java對象被創建後，如果被一個或多個變量引用，那就是可達的。即從根節點可以觸及到這個對象。
其實就是從根節點掃描，只要這個對象在引用鏈中，那就是可觸及的。
可恢復的：
Java對象不再被任何變量引用就進入了可恢復狀態。
在回收該對象之前，該對象的finalize()方法進行資源清理。如果在finalize()方法中重新讓變量引用該對象，則該對象再次變為可達狀態，否則該對象進入不可達狀態
不可達的：
Java對象不被任何變量引用，且系統在調用對象的finalize()方法後依然沒有使該對象變成可達狀態（該對象依然沒有被變量引用），那麼該對象將變成不可達狀態。
當Java對象處於不可達狀態時，系統才會真正回收該對象所占有的資源。
四、判斷對象死亡的兩種常用算法：
當對象不被引用的時候，這個對象就是死亡的，等待GC進行回收。
1、引用計數算法：
概念：
給對象中添加一個引用計數器，每當有一個地方引用它時，計數器值就加1；當引用失效時，計數器值就減1；任何時刻計數器為0的對象就是不可能再被使用的。
但是：
主流的java虛擬機並沒有選用引用計數算法來管理內存，其中最主要的原因是：它很難解決對象之間相互循環引用的問題。
優點：
算法的實現簡單，判定效率也高，大部分情況下是一個不錯的算法。很多地方應用到它
缺點：
引用和去引用伴隨加法和減法，影響性能
致命的缺陷：對於循環引用的對象無法進行回收
2、根搜索算法：（jvm采用的算法）
概念：
設立若干種根對象，當任何一個根對象（GC Root）到某一個對象均不可達時，則認為這個對象是可以被回收的。
注：這裡提到，設立若干種根對象，當任何一個根對象到某一個對象均不可達時，則認為這個對象是可以被回收的。我們在後面介紹標記-清理算法/標記整理算法時，也會一直強調從根節點開始，對所有可達對象做一次標記，那什麼叫做可達呢？
可達性分析：
從根（GC Roots）的對象作為起始點，開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為“引用鏈”，當一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連（用圖論的概念來講，就是從GC Roots到這個對象不可達）時，則證明此對象是不可用的。
棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象。
2、方法區中的靜態成員。
3、方法區中的常量引用的對象（全局變量）
4、本地方法棧中JNI（一般說的Native方法）引用的對象。
注：第一和第四種都是指的方法的本地變量表，第二種表達的意思比較清晰，第三種主要指的是聲明為final的常量值。
在根搜索算法的基礎上，現代虛擬機的實現當中，垃圾搜集的算法主要有三種，分別是標記-清除算法、復制算法、標記-整理算法。這三種算法都擴充了根搜索算法，不過它們理解起來還是非常好理解的。
五、垃圾回收算法：
1、標記-清除算法：
概念：
標記階段：先通過根節點，標記所有從根節點開始的可達對象。因此，未被標記的對象就是未被引用的垃圾對象；
清除階段：清除所有未被標記的對象。
缺點：
標記和清除的過程效率不高（標記和清除都需要從頭遍歷到尾）
標記清除後會產生大量不連續的碎片。
2、復制算法：（新生代的GC）
概念：
將原有的內存空間分為兩塊，每次只使用其中一塊，在垃圾回收時，將正在使用的內存中的存活對象復制到未使用的內存塊中，然後清除正在使用的內存塊中的所有對象。
優點：
這樣使得每次都是對整個半區進行回收，內存分配時也就不用考慮內存碎片等情況
只要移動堆頂指針，按順序分配內存即可，實現簡單，運行效率高
缺點：空間的浪費
從以上描述不難看出，復制算法要想使用，最起碼對象的存活率要非常低才行。
現在的商業虛擬機都采用這種收集算法來回收新生代，新生代中的對象98%都是“朝生夕死”的，所以並不需要按照1:1的比例來劃分內存空間，而是將內存分為一塊比較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，每次使用Eden和其中一塊Survivor。當回收時，將Eden和Survivor中還存活著的對象一次性地復制到另外一塊Survivor空間上，最後清理掉Eden和剛才用過的Survivor空間。HotSpot虛擬機默認Eden和Survivor的大小比例是8:1，也就是說，每次新生代中可用內存空間為整個新生代容量的90%（80%+10%），只有10%的空間會被浪費。
當然，98%的對象可回收只是一般場景下的數據，我們沒有辦法保證每次回收都只有不多於10%的對象存活，當Survivor空間不夠用時，需要依賴於老年代進行分配擔保，所以大對象直接進入老年代。整個過程如下圖所示：
存活率高的時候要進行較多的復制操作，效率將會降低，所以在老年代中一般不能直接選用這種算法。
概念：
標記階段：先通過根節點，標記所有從根節點開始的可達對象。因此，未被標記的對象就是未被引用的垃圾對象
整理階段：將將所有的存活對象壓縮到內存的一端；之後，清理邊界外所有的空間
優點：
不會產生內存碎片。
缺點：
在標記的基礎之上還需要進行對象的移動，成本相對較高，效率也不高。
它們的區別如下：（>表示前者要優於後者，=表示兩者效果一樣）
（1）效率：復制算法 > 標記/整理算法 > 標記/清除算法（此處的效率只是簡單的對比時間復雜度，實際情況不一定如此）。
（2）內存整齊度：復制算法=標記/整理算法>標記/清除算法。
（3）內存利用率：標記/整理算法=標記/清除算法>復制算法。
注1：標記-整理算法不僅可以彌補標記-清除算法當中，內存區域分散的缺點，也消除了復制算法當中，內存減半的高額代價。
注2：可以看到標記/清除算法是比較落後的算法了，但是後兩種算法卻是在此基礎上建立的。
注3：時間與空間不可兼得。
4、分代收集算法：
當前商業虛擬機的GC都是采用的“分代收集算法”，這並不是什麼新的思想，只是根據對象的存活周期的不同將內存劃分為幾塊兒。一般是把Java堆分為新生代和老年代：短命對象歸為新生代，長命對象歸為老年代。
注：老年代的對象中，有一小部分是因為在新生代回收時，老年代做擔保，進來的對象；絕大部分對象是因為很多次GC都沒有被回收掉而進入老年代。
六、垃圾收集器：
如果說收集算法時內存回收的方法論，那麼垃圾收集器就是內存回收的具體實現。
雖然我們在對各種收集器進行比較，但並非為了挑出一個最好的收集器。因為直到現在位置還沒有最好的收集器出現，更加沒有萬能的收集器，所以我們選擇的只是對具體應用最合適的收集器。
1、Serial收集器：（串行收集器）
這個收集器是一個單線程的收集器，但它的單線程的意義並不僅僅說明它只會使用一個CPU或一條收集線程去完成垃圾收集工作，更重要的是在它進行垃圾收集時，必須暫停其他所有的工作線程（Stop-The-World：將用戶正常工作的線程全部暫停掉），直到它收集結束。收集器的運行過程如下圖所示：
Serial收集器對於運行在client模式下是一個很好的選擇（它依然是虛擬機運行在client模式下的默認新生代收集器）。
2、ParNew收集器：Serial收集器的多線程版本（使用多條線程進行GC）
ParNew收集器是Serial收集器的多線程版本。
它是運行在server模式下的首選新生代收集器，除了Serial收集器外，目前只有它能與CMS收集器配合工作。CMS收集器是一個被認為具有劃時代意義的並發收集器，因此如果有一個垃圾收集器能和它一起搭配使用讓其更加完美，那這個收集器必然也是一個不可或缺的部分了。收集器的運行過程如下圖所示：
關注吞吐量。目標是：達到一個可控制吞吐量的收集器。
停頓時間和吞吐量不可能同時調優。我們一方買希望停頓時間少，另外一方面希望吞吐量高，其實這是矛盾的。因為：在GC的時候，垃圾回收的工作總量是不變的，如果將停頓時間減少，那頻率就會提高；既然頻率提高了，說明就會頻繁的進行GC，那吞吐量就會減少，性能就會降低。
吞吐量：CPU用於用戶代碼的時間/CPU總消耗時間的比值，即=運行用戶代碼的時間/(運行用戶代碼時間+垃圾收集時間)。比如，虛擬機總共運行了100分鐘，其中垃圾收集花掉1分鐘，那吞吐量就是99%。
4、G1收集器：
是當今收集器發展的最前言成果之一，知道jdk1.7，sun公司才認為它達到了足夠成熟的商用程度。
優點：
它最大的優點是結合了空間整合，不會產生大量的碎片，也降低了進行gc的頻率。
二是可以讓使用者明確指定指定停頓時間。（可以指定一個最小時間，超過這個時間，就不會進行回收了）
它有了這麼高效率的原因之一就是：對垃圾回收進行了劃分優先級的操作，這種有優先級的區域回收方式保證了它的高效率。
如果你的應用追求停頓，那G1現在已經可以作為一個可嘗試的選擇；如果你的應用追求吞吐量，那G1並不會為你帶來什麼特別的好處。
注：以上所有的收集器當中，當執行GC時，都會stop the world，但是下面的CMS收集器卻不會這樣。
5、CMS收集器：（老年代收集器）
CMS收集器（Concurrent Mark Sweep：並發標記清除）是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器。適合應用在互聯網站或者B/S系統的服務器上，這類應用尤其重視服務器的響應速度，希望系統停頓時間最短。
CMS收集器運行過程：（著重實現了標記的過程）
（1）初始標記
根可以直接關聯到的對象
速度快
（2）並發標記（和用戶線程一起）
主要標記過程，標記全部對象
（3）重新標記
由於並發標記時，用戶線程依然運行，因此在正式清理前，再做修正
（4）並發清除（和用戶線程一起）
基於標記結果，直接清理對象
整個過程如下圖所示：
做GC的時候是和用戶線程一起工作的（並發執行），如果使用標記整理算法的話，那麼在清理的時候就會去移動可用對象的內存空間，那麼應用程序的線程就很有可能找不到應用對象在哪裡。
七、Java堆內存劃分：
根據對象的存活率（年齡），Java對內存劃分為3種：新生代、老年代、永久代：
1、新生代：
比如我們在方法中去new一個對象，那這方法調用完畢後，對象就會被回收，這就是一個典型的新生代對象。
現在的商業虛擬機都采用這種收集算法來回收新生代，新生代中的對象98%都是“朝生夕死”的，所以並不需要按照1:1的比例來劃分內存空間，而是將內存分為一塊比較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，每次使用Eden和其中一塊Survivor。當回收時，將Eden和Survivor中還存活著的對象一次性地復制到另外一塊Survivor空間上，最後清理掉Eden和剛才用過的Survivor空間。HotSpot虛擬機默認Eden和Survivor的大小比例是8:1，也就是說，每次新生代中可用內存空間為整個新生代容量的90%（80%+10%），只有10%的空間會被浪費。
當然，98%的對象可回收只是一般場景下的數據，我們沒有辦法保證每次回收都只有不多於10%的對象存活，當Survivor空間不夠用時，需要依賴於老年代進行分配擔保，所以大對象直接進入老年代。同時，長期存活的對象將進入老年代（虛擬機給每個對象定義一個年齡計數器）。
來看下面這張圖：
Class對象，作為方法區這個類的數據訪問的入口。
也就是說，當程序中使用任何類時，系統都會為之建立一個java.lang.Class對象。具體包括以下三個部分：
（1）通過類的全名產生對應類的二進制數據流。（根據early load原理，如果沒找到對應的類文件，只有在類實際使用時才會拋出錯誤）
（2）分析並將這些二進制數據流轉換為方法區方法區特定的數據結構
（3）創建對應類的java.lang.Class對象，作為方法區的入口（有了對應的Class對象，並不意味著這個類已經完成了加載鏈接）
通過使用不同的類加載器，可以從不同來源加載類的二進制數據，通常有如下幾種來源：
（1）從本地文件系統加載class文件，這是絕大部分程序的加載方式
（2）從jar包中加載class文件，這種方式也很常見，例如jdbc編程時用到的數據庫驅動類就是放在jar包中，jvm可以從jar文件中直接加載該class文件
（3）通過網絡加載class文件
（4）把一個Java源文件動態編譯、並執行加載
2、鏈接：
鏈接指的是將Java類的二進制文件合並到jvm的運行狀態之中的過程。在鏈接之前，這個類必須被成功加載。
類的鏈接包括驗證、准備、解析這三步。具體描述如下：
2.1 驗證：
驗證是用來確保Java類的二進制表示在結構上是否完全正確（如文件格式、語法語義等）。如果驗證過程出錯的話，會拋出java.lang.VertifyError錯誤。
主要驗證以下內容：
2.2 准備：
准備過程則是創建Java類中的靜態域（static修飾的內容），並將這些域的值設置為默認值，同時在方法區中分配內存空間。准備過程並不會執行代碼。
注意這裡是做默認初始化，不是做顯式初始化。例如：
public static int value = 12;
上面的代碼中，在准備階段，會給value的值設置為0（默認初始化）。在後面的初始化階段才會給value的值設置為12（顯式初始化）。
2.3 解析：
解析的過程就是確保這些被引用的類能被正確的找到（將符號引用替換為直接引用）。解析的過程可能會導致其它的Java類被加載。
3、初始化：
初始化階段是類加載過程的最後一步。到了初始化階段，才真正執行類中定義的Java程序代碼（或者說是字節碼）。
在以下幾種情況中，會執行初始化過程：
（1）創建類的實例
（2）訪問類或接口的靜態變量（特例：如果是用static final修飾的常量，那就不會對類進行顯式初始化。static final 修改的變量則會做顯式初始化）
（3）調用類的靜態方法
（4）反射（Class.forName(packagename.className)）
（5）初始化類的子類。注：子類初始化問題：滿足主動調用，即父類訪問子類中的靜態變量、方法，子類才會初始化；否則僅父類初始化。
（6）java虛擬機啟動時被標明為啟動類的類
代碼舉例1：
我們對上面的第（5）種情況做一個代碼舉例。
(1)Father.java:
1 public class Father {
2
3 static {
4 System.out.println("*******father init");
5 }
6 public static int a = 1;
7 }
(2)Son.java:
1 public class Son extends Father {
2 static {
3 System.out.println("*******son init");
4 }
5 public static int b = 2;
6 }
(3)JavaTest.java:
1 public class JavaTest {
2 public static void main(String[] args) {
3 System.out.println(Son.a);
4 }
5 }
上面的測試類中，雖然用上了Son這個類，但是並沒有調用子類裡的成員，所以並不會對子類進行初始化。於是運行效果是：
1 public class JavaTest {
2 public static void main(String[] args) {
3 System.out.println(Son.a);
4 System.out.println(Son.b);
5 }
6 }
運行效果：
1 public class JavaTest {
2 public static void main(String[] args) {
3 System.out.println(Son.b);
4 }
5 }
運行效果：
1 public class Father {
2 static {
3 System.out.println("*******father init");
4 }
5 public static int a = 1;
6 }
(2)Son.java:
1 public class Son extends Father {
2 static {
3 System.out.println("*******son init");
4 }
5
6 public static int b = 2;
7 public static final int c = 3;
8 }
這裡面的變量c是一個靜態常量。
(3)JavaTest.java:
1 public class JavaTest {
2 public static void main(String[] args) {
3 System.out.println(Son.c);
4 }
5 }
由於c是final static修飾的靜態常量，所以根本就沒有調用靜態代碼塊裡面的內容，也就是說，沒有對這個類進行顯式初始化。
現在，保持Father.java的代碼不變。將Son.java代碼做如下修改：
1 public class Son extends Father {
2 static {
3 System.out.println("*******son init");
4 }
5
6 public static int b = 2;
7 public static final int c = new Random().nextInt(3);
8 }
JavaTest.java:
1 public class JavaTest {
2 public static void main(String[] args) {
3 System.out.println(Son.c);
4 }
5 }
運行效果如下：
1 public class TestInstance {
2
3 public static TestInstance instance = new TestInstance();
4 public static int a;
5 public static int b = 0;
6
7 public TestInstance() {
8 a++;
9 b++;
10 }
11
12 public static void main(String[] args) {
13 System.out.println(TestInstance.a);
14 System.out.println(TestInstance.b);
15 }
16 }
運行結果：
1 public class TestInstance {
2
3 public static int a;
4 public static int b = 0;
5 public static TestInstance instance = new TestInstance();
6
7 public TestInstance() {
8 a++;
9 b++;
10 }
11
12 public static void main(String[] args) {
13 System.out.println(TestInstance.a);
14 System.out.println(TestInstance.b);
15
16 }
17 }
運行效果是：
知識點：類的初始化過程（重要）
Student s = new Student();在內存中做了哪些事情?
【思維導圖文件下載地址】
2015-09-12-Java虛擬機詳解----JVM常見問題總結
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我會很感激第一批關注我的人。此時，年輕的我和你，一無所有；而後，富裕的你和我，滿載而歸。
