本文內容整理自 博學谷狂野架構師
運行時資料區都包含什么
虛擬機的基礎面試題
- 程式計數器
- Java 虛擬機堆疊
- 本地方法堆疊
- Java 堆
- 方法區
程式計數器
程式計數器是執行緒私有的，并且是JVM中唯一不會溢位的區域，用來保存執行緒切換時的執行行數
程式計數器（Program Counter Register）是一塊較小的記憶體空間，可以看作是當前執行緒所執行位元組碼的行號指示器，分支、回圈、跳轉、例外處理、執行緒恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器完成，
由于 Java 虛擬機的多執行緒是通過執行緒輪流切換并分配處理器執行時間的方式實作的，為了執行緒切換后能恢復到正確的執行位置，每條執行緒都需要一個獨立的程式計數器，各執行緒之間的計數器互不影響，獨立存盤，
- 如果執行緒正在執行的是一個 Java 方法，計數器記錄的是正在執行的虛擬機位元組碼指令的地址；
- 如果正在執行的是 Native 方法，這個計數器的值為空，
程式計數器是唯一一個沒有規定任何 OutOfMemoryError 的區域
虛擬機堆疊
Java 虛擬機堆疊（Java Virtual Machine Stacks）是執行緒私有的，生命周期與執行緒相同，
虛擬機堆疊描述的是 Java 方法執行的記憶體模型：每個方法被執行的時候都會創建一個堆疊幀（Stack Frame），存盤
每一個方法被呼叫到執行完成的程序，就對應著一個堆疊幀在虛擬機堆疊中從入堆疊到出堆疊的程序
組成部分
- 區域變數表
- 運算元堆疊
- 動態鏈接
- 方法出口
例外情況
- StackOverflowError：執行緒請求的堆疊深度大于虛擬機所允許的深度
- OutOfMemoryError：虛擬機堆疊擴展到無法申請足夠的記憶體時
本地方法堆疊
本地方法堆疊（Native Method Stacks）為虛擬機使用到的 Native 方法服務
Java 堆
Java 堆（Java Heap）是 Java 虛擬機中記憶體最大的一塊，Java 堆在虛擬機啟動時創建，被所有執行緒共享，
作用：存放物件實體，垃圾收集器主要管理的就是 Java 堆，Java 堆在物理上可以不連續，只要邏輯上連續即可，
包含元素
- 物件
- 陣列
- 非靜態變數
有什么例外
- java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space：這種是java堆記憶體不夠，一個原因是真不夠，另一個原因是程式中有死回圈
- java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded：JDK6新增錯誤型別，當GC為釋放很小空間占用大量時間時拋出
方法區
方法區（Method Area）被所有執行緒共享，用于存盤已被虛擬機加載的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯后的代碼等資料，
和 Java 堆一樣，不需要連續的記憶體，可以選擇固定的大小，更可以選擇不實作垃圾收集，
垃圾回收演算法有哪些
常用的垃圾回收演算法有如下四種：標記-清除、復制、標記-整理和分代收集，
標記-清除演算法
從演算法的名稱上可以看出，這個演算法分為兩部分，標記和清除，首先標記出所有需要被回收的物件，然后在標記完成后統一回收掉所有被標記的物件，
這個演算法簡單，但是有兩個缺點：
- 一是標記和清除的效率不是很高；
- 二是標記和清除后會產生很多的記憶體碎片，導致可用的記憶體空間不連續，當分配大物件的時候，沒有足夠的空間時不得不提前觸發一次垃圾回收，
執行程序如下圖
復制演算法
為了解決效率問題，一種稱為“復制”（Copying）的收集演算法出現了，他將可用記憶體按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊，當這塊的記憶體用完了，就將還存活這的物件復制到另外一塊上面，然后再把已使用過的記憶體空間一次清理掉，這樣使得每次都是對整個半區進行記憶體回收，記憶體分配時也就不用考慮記憶體碎片等復雜情況，只要移動堆頂指標，按順序分配記憶體即可，實作簡單，運行高效，只是這種演算法的代價是將記憶體縮小為了原來的一半，未免太高了一點，
優缺點
- 優點：簡單高效
- 缺點：代價是將記憶體縮小為原來的一半，代價高
執行程序如下圖
標記-整理演算法
復制收集演算法在物件存活率較高時就要進行較多的復制操作，效率將會變低，更關鍵的是如果不想浪費50%的空間就要使用額外的空間進行分配擔保（Handle Promotion當空間不夠時，需要依賴其他記憶體），以應對被使用的記憶體中所有物件都100%存活的極端情況
對于“標記-整理”演算法，標記程序仍與“標記-清除”演算法一樣，但是后續步驟不是直接對可回收物件進行清理，而是讓所有的存活物件都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的記憶體，”標記-整理“演算法示意圖如下：
標記-整理演算法解決了復制演算法多復制效率低、空間利用率低的問題，同時也解決了記憶體碎片的問題，
分代收集演算法
根據物件生存周期的不同將記憶體空間劃分為不同的塊，然后對不同的塊使用不同的回收演算法，一般把Java堆分為新生代和老年代，新生代中物件的存活周期短，只有少量存活的物件，所以可以使用復制演算法，而老年代中物件存活時間長，而且物件比較多，所以可以采用標記-清除和標記-整理演算法，
判斷物件是否有效
參考計數演算法
給物件添加一個參考計數器，每當一個地方參考它時，資料器加1；當參考失效時，計數器減1；計數器為0的即可被回收，
- 優點：實作簡單，判斷效率高
- 缺點：很難解決物件之間的相互回圈參考（objA.instance = objB; objB.instance = objA）的問題，所以java語言并沒有選用參考計數法管理記憶體
根搜索演算法
Java和C#都是使用根搜索演算法來判斷物件是否存活，通過一系列的名為“GC Root”的物件作為起始點，從這些節點開始向下搜索，搜索所有走過的路徑稱為參考鏈（Reference Chain）,當一個物件到GC Root沒有任何參考鏈相連時（用圖論來說就是GC Root到這個物件不可達時），證明該物件是可以被回收的，
在Java中這些物件可以成為GC Root：
- 虛擬機堆疊（堆疊幀中的本地變數表）中的參考物件
- 方法區中的類靜態屬性參考的物件
- 方法區中的常量參考物件
- 本地方法堆疊中JNI（即Native方法）的參考物件
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