学习Java GC机制，可以帮助我们在日常工作中
排查各种内存溢出或泄露问题，解决性能瓶颈，达到更高的并发量，写出更高效的程序。
我们将从4个方面学习Java GC机制，
1，内存是如何分配的；
2，哪些内存需要回收；
3，在什么情况下执行GC以及执行GC的方式；
4，如何监控和优化GC机制。
先来看看[1，内存是如何分配的；]，JVM内存区域的划分（运行时数据区）。
JVM的体系结构如下：JVM的类加载系统、执行引擎系统、垃圾回收器都是去访问 运行时数据区（即 JVM虚拟内存）。
Java内存区域
在Java运行时的数据区里，由JVM管理的内存区域分为下图几个模块：
其中：
1，程序计数器（Program Counter Register）：程序计数器是一个比较小的内存区域，用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。
每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以它是线程私有（一个线程就有一个程序计数器）的。
如果程序执行的是一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；
如果正在执行的是一个本地（native，由C语言编写完成）方法，则计数器的值为Undefined。
由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。
2，虚拟机栈（JVM Stack）：它是线程私有的。一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧（Statck Frame），栈帧中存储的有局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等，当方法被调用时，栈帧在JVM栈中入栈，当方法执行完成时，栈帧出栈。
局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。在局部变量表中，只有long和double类型会占用2个局部变量空间（Slot，对于32位机器，一个Slot就是32个bit），其它都是1个Slot。需要注意的是，局部变量表是在编译时就已 经确定好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。
虚拟机栈中定义了两种异常，如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError（栈溢出）；
不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足，此时，会抛出OutOfMemoryError（内存溢出）。
每个线程对应着一个虚拟机栈，因此虚拟机栈也是线程私有的。
3，本地方法栈（Native Method Statck）：本地方法栈在作用，运行机制，异常类型等方面都与虚拟机栈相同，唯一的区别是：虚拟机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是用来执行native方法的，在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。
本地方法栈也是线程私有的。
4，堆区（Heap）：堆区是理解Java GC机制最重要的区域，没有之一。
在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块，堆区也是Java GC机制所管理的主要内存区域，堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。
堆区的存在是为了存储对象实例，原则上讲，所有的对象都在堆区上分配内存（不过现代技术里，也不是这么绝对的，也有栈上直接分配的）。
一般的，根据Java虚拟机规范规定，堆内存需要在逻辑上是连续的（在物理上不需要），在实现时，可以是固定大小的，也可以是可扩展的，目前主流的虚拟机都是可扩展的。如果在执行垃圾回收之后，仍没有足够的内存分配，也不能再扩展，将会抛出OutOfMemoryError:Java heap space异常。
关于堆区的内容还有很多，将在下节“Java内存分配机制”中详细介绍。
5，方法区（Method Area）：所有线程共享。在Java虚拟机规范中，将方法区作为堆的一个逻辑部分来对待，但事实上，方法区并不是堆（Non-Heap）；
另外，不少人的博客中，将Java GC的分代收集机制分为3个代：青年代，老年代，永久代，这些作者将方法区定义为“永久代”，这是因为，对于之前的HotSpot Java虚拟机的实现方式中，将分代收集的思想扩展到了方法区，并将方法区设计成了永久代。
不过，除HotSpot之外的多数虚拟机，并不将方法区当做永久代，HotSpot本身，也计划取消永久代。本文中，由于主要使用JDK6.0，因此仍将使用永久代一词。
方法区是各个线程共享的区域，用于存储已经被虚拟机加载的类信息（即加载类时需要加载的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、静态变量、编译器即时编译的代码等。
方法区在物理上也不需要是连续的，可以选择固定大小或可扩展大小，并且方法区比堆还多了一个限制：可以选择是否执行垃圾收集。
一般的，方法区上执行的垃圾收集是很少的，这也是方法区被称为永久代的原因之一（HotSpot），但这也不代表着在方法区上完全没有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是针对常量池的内存回收和对已加载类的卸载。
在方法区上进行垃圾收集，条件苛刻而且相当困难，效果也不令人满意，所以一般不做太多考虑，可以留作以后进一步深入研究时使用。
在方法区上定义了OutOfMemoryError:PermGen space异常，在内存不足时抛出。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存储编译期就生成的字面常量、符号引用、翻译出来的直接引用（符号引用就是编码时用字符串表示某个变量、接口的位置，直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址，将在类链接阶段完成翻译）；
运行时常量池除了存储编译期常量外，也可以存储在运行时间产生的常量（比如String类的intern()方法，作用是String维护了一个常量池，如果调用的字符“abc”已经在常量池中，则返回池中的字符串地址，否则，新建一个常量加入池中，并返回地址）。
6，直接内存（Direct Memory）：直接内存并不是JVM管理的内存，可以这样理解，直接内存，就是JVM以外的机器内存，比如，你有4G的内存，JVM占用了1G，则其余的3G就是直接内存。
JDK中有一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的内存分配方式，将由C语言实现的native函数库分配在直接内存中，用存储在JVM堆中的DirectByteBuffer来引用。
由于直接内存收到本机器内存的限制，所以也可能出现OutOfMemoryError的异常。
Java对象的访问方式
一般来说，一个Java的引用访问涉及到3个内存区域：JVM栈，堆，方法区。
以最简单的本地变量引用：Object obj = new Object()为例：
- Object obj表示一个本地引用，存储在JVM栈的本地变量表中，表示一个reference类型数据；
- new Object()作为实例对象数据存储在堆中；
- 堆中还记录了Object类的类型信息（接口、方法、field、对象类型等）的地址，这些地址所执行的数据存储在方法区中；
接下来来看看[2，哪些内存需要回收；]，JVM堆内存的分配机制。
一般的，对象的内存分配都是在堆上进行，JVM堆就是主要的垃圾回收对象。
Java内存分配和回收的机制概括的说，就是：分代分配，分代回收。
对象将根据存活的时间被分为：年轻代（Young Generation）、年老代（Old Generation）、永久代（Permanent Generation，也就是方法区，不在JVM堆）。
年轻代（Young Generation）：对象被创建时，内存的分配首先发生在年轻代（大对象可以直接被创建在年老代），大部分的对象在创建后很快就不再使用，因此很快变得不可达，于是被年轻代的GC机制清理掉（IBM的研究表明，98%的对象都是很快消亡的），这个GC机制被称为Minor GC或叫Young GC。
注意，Minor GC并不代表年轻代内存不足，它事实上只表示在Eden区上的GC。
年轻代上的内存分配是这样的，年轻代可以分为3个区域：
Eden区（伊甸园，亚当和夏娃偷吃禁果生娃娃的地方，用来表示内存首次分配的区域，再贴切不过）和两个存活区（Survivor 0 、Survivor 1）。内存分配过程为：
- 绝大多数 刚创建的对象会被分配在Eden区，其中的大多数对象很快就会消亡。 Eden区是连续的内存空间，因此在其上分配内存极快；
- 最初一次，当Eden区满的时候，执行Minor GC，将消亡的对象清理掉，并将剩余的对象复制到一个存活区Survivor0（此时，Survivor1是空白的，两个Survivor总有一个是空白的）；
- 下次Eden区满了，再执行一次Minor GC，将消亡的对象清理掉，将存活的对象复制到Survivor1中，然后清空Eden区；
- 将Survivor0中消亡的对象清理掉，将其中可以晋级的对象晋级到Old区，将存活的对象也复制到Survivor1区，然后清空Survivor0区；
- 当两个存活区切换了几次（HotSpot虚拟机默认15次，用-XX:MaxTenuringThreshold控制，大于该值进入老年代，但这只是个最大值，并不代表一定是这个值）之后，仍然存活的对象（其实只有一小部分，比如，我们自己定义的对象），将被复制到老年代。
从上面的过程可以看出，Eden区是连续的空间，且Survivor总有一个为空。
经过一次GC和复制，一个Survivor中保存着当前还活着的对象，而Eden区和另一个Survivor区的内容都不再需要了，可以直接清空。
到下一次GC时，两个Survivor的角色再互换。因此，这种方式分配内存和清理内存的效率都极高。
这种垃圾回收的方式就是著名的“停止-复制（Stop-and-copy）”清理法（将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到另一个Survivor中），这不代表着停止复制清理法很高效，其实，它也只在这种情况下高效，如果在老年代采用停止复制，则挺悲剧的。
年老代（Old Generation）：对象如果在年轻代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次Young GC后存活了下来），则会被复制到年老代。
年老代的空间一般比年轻代大，能存放更多的对象，在年老代上发生的GC次数也比年轻代少。当年老代内存不足时，将执行Major GC，也叫 Full GC。
如果对象比较大（比如长字符串或大数组），Young空间不足，则大对象会直接分配到老年代上（大对象可能触发提前GC，应少用，更应避免使用短命的大对象）。
用-XX:PretenureSizeThreshold来控制直接升入老年代的对象大小，大于这个值的对象会直接分配在老年代上。
可能存在年老代对象引用新生代对象的情况，如果需要执行Young GC，则可能需要查询整个老年代以确定是否可以清理回收，这显然是低效的。
解决的方法是，年老代中维护一个512 byte的块——”card table“，所有老年代对象引用新生代对象的记录都记录在这里。Young GC时，只要查这里即可，不用再去查全部老年代，因此性能大大提高。
最后来看看[3，在什么情况下执行GC以及执行GC的方式；]，每个分代的收集方法。
年轻代：
事实上，在上一节，已经介绍了新生代的主要垃圾回收方法。
在新生代中，使用“停止-复制”算法进行清理，将新生代内存分为2部分，
1部分 Eden区较大，1部分Survivor比较小，并被划分为两个等量的部分。
每次当Eden区满时触发Young GC进行清理时，将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象，拷贝到 另一个Survivor中，然后清理掉Eden和刚才的Survivor。
由于绝大部分的对象都是短命的，甚至存活不到Survivor中，所以，Eden区与Survivor的比例较大，HotSpot默认是 8:1，即分别占新生代的80%，10%，10%。
如果一次回收中，Survivor+Eden中存活下来的内存超过了10%，则需要将一部分对象分配到 老年代。
用-XX:SurvivorRatio参数来配置Eden区域Survivor区的容量比值，默认是8，代表Eden：Survivor1：Survivor2=8:1:1.
老年代：
方法区（永久代）：
永久代的回收有两种：常量池中的常量，无用的类信息，常量的回收很简单，没有引用了就可以被回收。对于无用的类进行回收，必须保证3点：
- 类的所有实例都已经被回收
- 加载类的ClassLoader已经被回收
- 类对象的Class对象没有被引用（即没有通过反射引用该类的地方）