“java 的内存布局以及 GC 原理”是 java 开发人员绕不开的话题，也是面试中常见的高频问题之一。
java 发展历史上出现过很多垃圾回收器，各有各的适应场景，很多网上的旧文章已经跟不上最新的变化。本文详细介绍了 java 的内存布局以及各种垃圾回收器的原理（包括最新的 ZGC），希望阅读完后，大家对这方面的知识不再陌生，有所收获，同时也欢迎大家留言讨论。
一、JVM 运行时内存布局
按 java 8 虚拟机规范的原始表达：(jvm)Run-Time Data Areas, 暂时翻译为“jvm 运行时内存布局”。
从概念上大致分为 6 个（逻辑）区域，参考下图。注：Method Area 中还有一个常量池区，图中未明确标出。
这 6 块区域按是否被线程共享，可以分为两大类：
一类是每个线程所独享的：
1）PC Register：也称为程序计数器， 记录每个线程当前执行的指令信。eg：当前执行到哪一条指令，下一条该取哪条指令。
2）JVM Stack：也称为虚拟机栈，记录每个栈帧（Frame）中的局部变量、方法返回地址等。注：这里出现了一个新名词“栈帧”，它的结构如下：
线程中每次有方法调用时，会创建Frame，方法调用结束时Frame 销毁。
3）Native Method Stack：本地 (原生) 方法栈，顾名思义就是调用操作系统原生本地方法时，所需要的内存区域。
上述 3 类区域，生命周期与 Thread 相同，即：线程创建时，相应的区域分配内存，线程销毁时，释放相应内存。
另一类是所有线程共享的：
1）Heap：即鼎鼎大名的堆内存区，也是 GC 垃圾回收的主站场，用于存放类的实例对象及 Arrays 实例等。
2）Method Area：方法区，主要存放类结构、类成员定义，static 静态成员等。
3）Runtime Constant Pool：运行时常量池，比如：字符串，int -128~127 范围的值等，它是 Method Area 中的一部分。
Heap、Method Area 都是在虚拟机启动时创建，虚拟机退出时释放。
注：Method Area 区，虚拟机规范只是说必须要有，但是具体怎么实现（比如: 是否需要垃圾回收? ），交给具体的 JVM 实现去决定，逻辑上讲，视为 Heap 区的一部分。所以，如果你看见类似下面的图，也不要觉得画错了。
上述 6 个区域，除了 PC Register 区不会抛出 StackOverflowError 或 OutOfMemoryError ，其它 5 个区域，当请求分配的内存不足时，均会抛出 OutOfMemoryError（即：OOM），其中 thread 独立的 JVM Stack 区及 Native Method Stack 区还会抛出 StackOverflowError。
最后，还有一类不受 JVM 虚拟机管控的内存区，这里也提一下，即：堆外内存。
可以通过 Unsafe 和 NIO 包下的 DirectByteBuffer 来操作堆外内存。如上图，虽然堆外内存不受 JVM 管控，但是堆内存中会持有对它的引用，以便进行 GC。
提一个问题：总体来看，JVM 把内存划分为“栈 (stack)”与“堆 (heap)”两大类，为何要这样设计？
个人理解，程序运行时，内存中的信息大致分为两类，一是跟程序执行逻辑相关的指令数据，这类数据通常不大，而且生命周期短；一是跟对象实例相关的数据，这类数据可能会很大，而且可以被多个线程长时间内反复共用，比如字符串常量、缓存对象这类。
将这两类特点不同的数据分开管理，体现了软件设计上“模块隔离”的思想。好比我们通常会把后端 service 与前端 website 解耦类似，也更便于内存管理。
二、GC 垃圾回收原理
2.1 如何判断对象是垃圾 ?
有两种经典的判断方法，借用网友的图（文中最后有给出链接）：
引用计数法，思路很简单，但是如果出现循环引用，即：A 引用 B，B 又引用 A，这种情况下就不好办了，所以 JVM 中使用了另一种称为“可达性分析”的判断方法：
还是刚才的循环引用问题（也是某些公司面试官可能会问到的问题)，如果 A 引用 B，B 又引用 A，这 2 个对象是否能被 GC 回收？
答案：关键不是在于 A、B 之间是否有引用，而是 A、B 是否可以一直向上追溯到 GC Roots。如果与 GC Roots 没有关联，则会被回收，否则将继续存活。
上图是一个用“可达性分析”标记垃圾对象的示例图，灰色的对象表示不可达对象，将等待回收。
2.2 哪些内存区域需要 GC ?
在第一部分 JVM 内存布局中，我们知道了 thread 独享的区域：PC Regiester、JVM Stack、Native Method Stack，其生命周期都与线程相同（即：与线程共生死），所以无需 GC。线程共享的 Heap 区、Method Area 则是 GC 关注的重点对象。
2.3 常用的 GC 算法
1）mark-sweep 标记清除法
如上图，黑色区域表示待清理的垃圾对象，标记出来后直接清空。该方法简单快速，但是缺点也很明显，会产生很多内存碎片。
2）mark-copy 标记复制法
思路也很简单，将内存对半分，总是保留一块空着（上图中的右侧），将左侧存活的对象（浅灰色区域）复制到右侧，然后左侧全部清空。避免了内存碎片问题，但是内存浪费很严重，相当于只能使用 50% 的内存。
3）mark-compact 标记 - 整理（也称标记 - 压缩）法
避免了上述两种算法的缺点，将垃圾对象清理掉后，同时将剩下的存活对象进行整理挪动（类似于 windows 的磁盘碎片整理），保证它们占用的空间连续，这样就避免了内存碎片问题，但是整理过程也会降低 GC 的效率。
4）generation-collect 分代收集算法
上述三种算法，每种都有各自的优缺点，都不完美。在现代 JVM 中，往往是综合使用的，经过大量实际分析，发现内存中的对象，大致可以分为两类：有些生命周期很短，比如一些局部变量 / 临时对象，而另一些则会存活很久，典型的比如 websocket 长连接中的 connection 对象，如下图：
纵向 y 轴可以理解分配内存的字节数，横向 x 轴理解为随着时间流逝（伴随着 GC），可以发现大部分对象其实相当短命，很少有对象能在 GC 后活下来。因此诞生了分代的思想，以 Hotspot 为例（JDK 7）：
将内存分成了三大块：年青代（Young Genaration），老年代（Old Generation）, 永久代（Permanent Generation），其中 Young Genaration 更是又细为分 eden，S0，S1 三个区。
结合我们经常使用的一些 jvm 调优参数后，一些参数能影响的各区域内存大小值，示意图如下：
注：jdk8 开始，用 MetaSpace 区取代了 Perm 区（永久代），所以相应的 jvm 参数变成 -XX:MetaspaceSize 及 -XX:MaxMetaspaceSize。
以 Hotspot 为例，我们来分析下 GC 的主要过程：
刚开始时，对象分配在 eden 区，s0（即：from）及 s1（即：to）区，几乎是空着。
随着应用的运行，越来越多的对象被分配到 eden 区。
当 eden 区放不下时，就会发生 minor GC（也被称为 young GC），第 1 步当然是要先标识出不可达垃圾对象（即：下图中的黄色块），然后将可达对象，移动到 s0 区（即：4 个淡蓝色的方块挪到 s0 区），然后将黄色的垃圾块清理掉，这一轮过后，eden 区就成空的了。
注：这里其实已经综合运用了“【标记 - 清理 eden】 + 【标记 - 复制 eden->s0】”算法。
随着时间推移，eden 如果又满了，再次触发 minor GC，同样还是先做标记，这时 eden 和 s0 区可能都有垃圾对象了（下图中的黄色块），注意：这时 s1（即：to）区是空的，s0 区和 eden 区的存活对象，将直接搬到 s1 区。然后将 eden 和 s0 区的垃圾清理掉，这一轮 minor GC 后，eden 和 s0 区就变成了空的了。
继续，随着对象的不断分配，eden 空可能又满了，这时会重复刚才的 minor GC 过程，不过要注意的是，这时候 s0 是空的，所以 s0 与 s1 的角色其实会互换，即：存活的对象，会从 eden 和 s1 区，向 s0 区移动。然后再把 eden 和 s1 区中的垃圾清除，这一轮完成后，eden 与 s1 区变成空的，如下图。
对于那些比较“长寿”的对象一直在 s0 与 s1 中挪来挪去，一来很占地方，而且也会造成一定开销，降低 gc 效率，于是有了“代龄 (age)”及“晋升”。
对象在年青代的 3 个区 (edge,s0,s1) 之间，每次从 1 个区移到另 1 区，年龄 +1，在 young 区达到一定的年龄阈值后，将晋升到老年代。下图中是 8，即：挪动 8 次后，如果还活着，下次 minor GC 时，将移动到 Tenured 区。
下图是晋升的主要过程：对象先分配在年青代，经过多次 Young GC 后，如果对象还活着，晋升到老年代。
如果老年代，最终也放满了，就会发生 major GC（即 Full GC），由于老年代的的对象通常会比较多，因为标记 - 清理 - 整理（压缩）的耗时通常会比较长，会让应用出现卡顿的现象，这也是为什么很多应用要优化，尽量避免或减少 Full GC 的原因。
注：上面的过程主要来自 oracle 官网的资料，但是有一个细节官网没有提到，如果分配的新对象比较大，eden 区放不下，但是 old 区可以放下时，会直接分配到 old 区（即没有晋升这一过程，直接到老年代了）。