Лекция. Введение.

Введение

Мобильные платформы.

Android.
iOS.
Windows Mobile.

Курс построен на android.

Структура курса. Лекции

Введение.
Основные компоненты приложений.
Многопоточность в приложениях.
Сеть.
Adapter Views. Службы (Services).
Работа с данными и файлами.
Локализация и работа с ресурсами.

Структура курса. Практика

5 лабораторных работ (сентябрь-ноябрь).
Для экзамена: Проект (декабрь-январь).
Для реализации используем любую среду по желанию.

Инструменты разработчика

JDK
Java Development Kit

Android Studio
Официальная IDE

Gradle
Система сборки

Android SDK
Software Development Kit

Настройка окружения

Установка Java JDK
Установка Android Studio
Настройка Android SDK через SDK Manager
Установка эмулятора или настройка реального устройства
Знакомство с интерфейсом Android Studio

Первый запуск Android Studio

Создание нового проекта (Empty Activity)
Обзор структуры проекта
Основные файлы: build.gradle, AndroidManifest.xml
Запуск на эмуляторе
Запуск на физическом устройстве (Debug Mode)

Язык Java: Основы

История и эволюция языка программирования

Java: Философия языка

"Write Once, Run Anywhere" - основная концепция
Объектно-ориентированный язык
Статическая типизация
Автоматическое управление памятью (Garbage Collection)
Богатая стандартная библиотека
Мультиплатформенность

Версии Java: Эволюция

Ранние версии

Java 1.0 (1996) - первая версия
Java 1.1 (1997) - внутренние классы, JDBC
Java 1.2 (1998) - Collections Framework
Java 1.4 (2002) - регулярные выражения, NIO
Java 5 (2004) - generics, аннотации, enum

Современные версии

Java 8 (2014) - лямбды, Stream API
Java 11 (2018) - LTS, HTTP Client
Java 17 (2021) - LTS, sealed classes
Java 21 (2023) - LTS, virtual threads
Java 23 (2024) - последняя версия

Java Ecosystem: Компоненты

JRE

Java Runtime Environment

Для запуска Java-приложений

JDK

Java Development Kit

Для разработки (JRE + tools)

JVM

Java Virtual Machine

Исполняющая среда

JRE (Java Runtime Environment)

Среда выполнения Java - это минимальная реализация виртуальной машины для запуска Java-приложений.

Основное назначение

Запуск готовых Java-приложений

Без возможности разработки

JRE в экосистеме Java

JRE включает JVM и библиотеки для выполнения кода

Компоненты JRE

Основные компоненты

JVM (Java Virtual Machine)
- Исполняющий движок
- Сборщик мусора
- Интерпретатор байт-кода
Библиотеки классов
- rt.jar (runtime library)
- Другие JAR-файлы

Вспомогательные компоненты

Вспомогательные утилиты
- java - запуск приложений
- keytool - управление ключами
- policytool - управление политиками
Файлы конфигурации
- Файлы свойств
- Политики безопасности

Сравнение JDK vs JRE vs JVM

Компонент	Назначение	Включает	Для кого
JVM	Выполнение байт-кода	Исполняющий движок, память	Система
JRE	Запуск приложений	JVM + библиотеки + утилиты	Пользователи
JDK	Разработка приложений	JRE + компилятор + инструменты	Разработчики

Библиотеки JRE

Основные пакеты

java.lang - базовые классы
java.util - коллекции, утилиты
java.io - ввод/вывод
java.net - сетевые функции
java.math - математические операции

Специализированные пакеты

java.text - форматирование
java.time - дата и время
java.security - безопасность
java.sql - работа с БД
java.awt - графика (десктоп)

Утилиты JRE

Основные утилиты

java - запуск приложений
javaw - запуск без консоли
javaws - запуск Java Web Start
pack200 - компрессия JAR

Утилиты безопасности

keytool - управление ключами
policytool - управление политиками
jarsigner - подписание JAR

Процесс запуска приложения

Поиск JRE - через PATH или регистр
Загрузка JVM - создание виртуальной машины
Парсинг аргументов - обработка параметров запуска
Загрузка классов - через ClassLoader
Верификация - проверка байт-кода
Исполнение - интерпретация или JIT-компиляция
Завершение - освобождение ресурсов

Структура директории JRE

jre/
├── bin/                    # Исполняемые файлы
│   ├── java               # Запуск приложений
│   ├── javaw              # Запуск без консоли
│   ├── keytool            # Управление ключами
│   └── ...
├── lib/                   # Библиотеки
│   ├── rt.jar             # Основная библиотека
│   ├── ext/               # Расширения
│   │   ├── localedata.jar
│   │   └── ...
│   └── ...
├── conf/                  # Конфигурация
│   ├── security/          # Настройки безопасности
│   ├── net.properties     # Сетевые настройки
│   └── ...
└── legal/                 # Лицензии

Версии JRE

Исторические версии

JRE 1.0-1.4 - ранние версии
JRE 5 - generics, аннотации
JRE 6 - улучшения производительности
JRE 7 - NIO.2, try-with-resources

Современные версии

JRE 8 - лямбды, Stream API (LTS)
JRE 11 - модульная система (LTS)
JRE 17 - sealed classes (LTS)
JRE 21 - virtual threads (LTS)

Модульная система (Java 9+)

Изменения в JRE

Исчез rt.jar - разбит на модули
Меньший размер - только необходимые модули
jlink - создание custom JRE
Модульная структура - четкие зависимости

Преимущества

Уменьшенный размер приложений
Улучшенная безопасность
Лучшая производительность
Четкие границы модулей

Создание custom JRE с jlink

# Создание минимальной JRE
jlink --module-path jmods \
      --add-modules java.base,java.sql \
      --output my-custom-jre

# Структура custom JRE
my-custom-jre/
├── bin/
├── conf/
├── lib/
└── legal/

Размер может быть уменьшен с 200+ MB до 20-30 MB

Безопасность в JRE

Компоненты безопасности

Security Manager - контроль доступа
Policy Files - политики безопасности
Cryptography - шифрование
Certificates - управление сертификатами

Механизмы защиты

Sandbox для ненадежного кода
Bytecode verification
ClassLoader isolation
Digital signatures

Установка JRE

Способы установки

Пакетные менеджеры
- apt (Debian/Ubuntu)
- yum (RedHat/CentOS)
- brew (macOS)
Ручная установка
- Скачивание с сайта
- Распаковка архива
- Настройка PATH

Проверка установки

# Проверка версии
java -version

# Путь к JRE
which java

# Список установленных JRE
/usr/libexec/java_home -V

Проблемы и решения

Распространенные проблемы

Version mismatch - несовместимость версий
ClassNotFound - отсутствующие библиотеки
Memory issues - нехватка памяти
Security restrictions - ограничения политик

Решения

Проверка версии Java
Настройка classpath
Увеличение памяти (-Xmx)
Настройка политик безопасности

Эволюция JRE

Java 1.0-8

Monolithic rt.jar
Большой размер
Фиксированная структура
JRE как отдельный продукт

Java 9-16

Модульная система
jlink для custom JRE
Уменьшенный размер
JRE в составе JDK

Java 17+

Удаление отдельного JRE
Только JDK + jlink
Продвинутая модульность
Cloud-native подход

JRE в современных версиях Java

Java 9+: Отдельный JRE больше не поставляется
jlink: Инструмент для создания custom runtime
Модульность: Только необходимые компоненты
Docker образы: Official images с JDK
Cloud deployment: Минимальные runtime образы

Практическое использование

Традиционный подход

# Установка JRE
apt install openjdk-11-jre

# Запуск приложения
java -jar myapp.jar

Альтернативный подход

# Создание custom runtime
jlink --add-modules java.base \
      --output myruntime

# Запуск
myruntime/bin/java -jar myapp.jar

JDK (Java Development Kit)

Комплект разработчика Java - это полный набор инструментов для создания, компиляции, отладки и запуска Java-приложений.

Основное назначение

Разработка Java-приложений

Включает все необходимое для разработки

JDK в экосистеме Java

JDK = JRE + Инструменты разработки

Компоненты JDK

Основные компоненты

JRE (Java Runtime Environment)
- JVM
- Библиотеки классов
- Вспомогательные утилиты
Компилятор
- javac
- Компиляция в байт-код

Инструменты разработки

Инструменты отладки
- jdb
- jstack
- jmap
Инструменты мониторинга
- jconsole
- jvisualvm
- jstat

Полная структура JDK

Исполняемые инструменты

javac - компилятор Java
java - запуск приложений
javadoc - генерация документации
jar - работа с архивами
jlink - создание custom runtime
jmod - работа с модулями

Инструменты отладки

jdb - Java debugger
jstack - дамп потоков
jmap - дамп памяти
jconsole - мониторинг
jvisualvm - продвинутый мониторинг
jinfo - информация о процессе

Структура директории JDK

jdk/
├── bin/                    # Исполняемые файлы
│   ├── javac              # Компилятор
│   ├── java               # Запуск приложений
│   ├── javadoc            # Генерация документации
│   ├── jar                # Работа с JAR-архивами
│   ├── jdb                # Отладчик
│   ├── jstack             # Анализ потоков
│   ├── jmap               # Анализ памяти
│   ├── jconsole           # Мониторинг
│   ├── jvisualvm          # Визуальный мониторинг
│   ├── jlink              # Создание custom runtime
│   ├── jmod               # Работа с JMOD-файлами
│   └── ...
├── lib/                   # Библиотеки разработки
│   ├── tools.jar          # Инструменты разработки
│   ├── dt.jar             # DesignTime библиотеки
│   └── ...
├── jmods/                 # Модули Java (Java 9+)
│   ├── java.base.jmod
│   ├── java.sql.jmod
│   └── ...
├── include/               # Нативные header-файлы
│   ├── jni.h
│   └── ...
├── conf/                  # Конфигурация
│   ├── security/
│   ├── net.properties
│   └── ...
├── legal/                 # Лицензии
└── README.html            # Документация

Основные инструменты JDK

Компиляция и запуск

javac - компиляция .java → .class
java - запуск приложений
javaw - запуск без консоли (Windows)
javap - дизассемблер байт-кода

Упаковка и документация

jar - создание и управление JAR
javadoc - генерация HTML-документации
jlink - создание custom runtime
jmod - работа с модулями

Инструменты мониторинга и отладки

Командная строка

jps - список Java-процессов
jstat - статистика JVM
jstack - дамп потоков выполнения
jmap - дамп памяти
jinfo - информация о конфигурации
jcmd - универсальная команда

Графические утилиты

jconsole - мониторинг JMX
jvisualvm - продвинутый мониторинг
Java Mission Control - профилирование
Java Flight Recorder - запись событий

Процесс разработки с JDK

Написание кода - создание .java файлов
Компиляция - javac → .class файлы
Упаковка - jar → JAR архив
Запуск - java -jar application.jar
Отладка - jdb, jstack, jmap
Профилирование - jvisualvm, JMC
Документирование - javadoc

Практические примеры использования

Базовые операции

# Компиляция
javac HelloWorld.java

# Запуск
java HelloWorld

# Создание JAR
jar cvf app.jar *.class

# Запуск JAR
java -jar app.jar

Мониторинг и отладка

# Список процессов
jps -l

# Статистика памяти
jstat -gc 12345

# Дамп потоков
jstack 12345

# Дамп памяти
jmap -heap 12345

Версии JDK

Исторические версии

JDK 1.0 (1996) - первая версия
JDK 1.1 (1997) - внутренние классы, JDBC
JDK 1.2 (1998) - Collections Framework
JDK 1.4 (2002) - регулярные выражения, NIO
JDK 5 (2004) - generics, аннотации, enum

Современные версии

JDK 8 (2014) - лямбды, Stream API (LTS)
JDK 11 (2018) - модульная система (LTS)
JDK 17 (2021) - sealed classes (LTS)
JDK 21 (2023) - virtual threads (LTS)
JDK 23 (2024) - текущая версия

Поставщики JDK

Поставщик	Продукт	Особенности	Лицензия
Oracle	Oracle JDK	Официальная реализация, коммерческая поддержка	OTN License
OpenJDK	OpenJDK	Эталонная реализация, открытый код	GPLv2+CE
Eclipse	Eclipse Temurin	Бывший AdoptOpenJDK, мультиплатформенный	GPLv2+CE
Amazon	Amazon Corretto	Бесплатная LTS-сборка	GPLv2+CE
Microsoft	Microsoft Build	Оптимизирован для Windows	GPLv2+CE
Azul	Zulu	Мультиплатформенная сборка	GPLv2+CE

Модульная система (Java 9+)

Изменения в JDK

Исчез rt.jar - разбит на модули
Модульная структура - jmods directory
jlink - создание custom runtime
jmod - работа с модулями
Меньший размер - только необходимые модули

Новые инструменты

jlink - создание custom JRE
jmod - управление JMOD-файлами
jshell - REPL для Java
jdeps - анализ зависимостей

Инструменты модульной системы

jlink - создание custom runtime

# Создание минимальной JRE
jlink --module-path jmods \
      --add-modules java.base,java.sql \
      --output my-runtime

# Размер: ~30MB вместо 200+MB

jdeps - анализ зависимостей

# Анализ зависимостей
jdeps myapp.jar

# Рекомендации модулей
jdeps --suggest-modules myapp.jar

# Статистика зависимостей
jdeps --summary myapp.jar

Установка и настройка JDK

Способы установки

Пакетные менеджеры
- apt install openjdk-11-jdk
- yum install java-11-openjdk-devel
- brew install openjdk@11
Ручная установка
- Скачивание с сайта поставщика
- Распаковка архива
- Настройка переменных окружения

Настройка окружения

# Переменные окружения
export JAVA_HOME=/path/to/jdk
export PATH=$JAVA_HOME/bin:$PATH

# Проверка установки
java -version
javac -version

# Список установленных JDK
/usr/libexec/java_home -V

Интеграция с IDE

IntelliJ IDEA

File → Project Structure
SDK Manager
Автоопределение JDK
Поддержка multiple JDK

Eclipse

Window → Preferences
Java → Installed JREs
Добавление JDK
Настройка compliance

VS Code

Java Extension Pack
Настройка java.home
Java Runtime Configuration
Поддержка Maven/Gradle

Проблемы и решения

Распространенные проблемы

Version mismatch - несовместимость версий
Classpath issues - неправильные пути
Memory issues - нехватка памяти для компиляции
Module issues - проблемы с модулями

Решения

Проверка версий java/javac
Правильная настройка classpath/modulepath
Увеличение памяти компилятора
Использование --module-path

Будущее JDK

Технические тренды

Project Loom - виртуальные потоки
Project Valhalla - value types
Project Panama - native interop
Project Amber - упрощение синтаксиса
GraalVM - полиглотная JVM

Экосистемные тренды

Cloud-native разработка
Контейнеризация (Docker)
Микросервисная архитектура
Serverless computing
Native image (AOT компиляция)

Практические рекомендации

Выбирайте LTS-версии для production (11, 17, 21)
Используйте jlink для создания минимальных runtime
Настраивайте memory settings для больших проектов
Следите за обновлениями безопасности
Используйте инструменты мониторинга для оптимизации
Осваивайте модульную систему для современных приложений

JVM

Виртуальная машина Java - основа кроссплатформенности

JVM: Философия и назначение

Виртуальная машина Java — это абстрактная вычислительная машина, которая обеспечивает кроссплатформенность Java-приложений по принципу "Write Once, Run Anywhere".

Основные задачи JVM

Загрузка и верификация байт-кода
Выполнение программ
Управление памятью (сборка мусора)
Обеспечение безопасности
Оптимизация производительности

Архитектура JVM: Общий обзор

Основные компоненты виртуальной машины Java

Детальная архитектура JVM

Основные компоненты

Class Loader Subsystem
- Loading
- Linking
- Initialization
Runtime Data Areas
- Method Area
- Heap Area
- Stack Area
- PC Registers
- Native Method Stack

Исполняющие компоненты

Execution Engine
- Interpreter
- JIT Compiler
- Garbage Collector
Native Method Interface (JNI)
Native Method Libraries

Подсистема загрузки классов (Class Loader)

Иерархия загрузчиков

Bootstrap ClassLoader
Загружает核心 библиотеки (rt.jar)
Platform ClassLoader
Загружает расширения платформы
Application ClassLoader
Загружает классы приложения

Принципы работы

Delegation Principle - делегирование родителю
Visibility Principle - видимость классов
Uniqueness Principle - уникальность загрузки

Процесс загрузки класса

1. Loading

Поиск .class файла
Чтение байт-кода
Создание Class объекта
Сохранение в Method Area

2. Linking

Verification - проверка корректности
Preparation - выделение памяти
Resolution - разрешение ссылок

3. Initialization

Инициализация static полей
Выполнение static блоков
Вызов конструктора родителя

Method Area (Область методов)

Назначение: Хранение метаинформации о классах
Содержимое:
- Структура класса
- Константный пул (Constant Pool)
- Код методов
- Статические переменные
Особенности:
- Общая для всех потоков
- Может быть garbage collected
- Ранее называлась Permanent Generation
- В современных JVM - Metaspace

Heap Area (Куча)

Структура кучи

Young Generation
- Eden Space
- Survivor Space (S0, S1)
Old Generation
Metaspace (вне кучи)

Характеристики

Динамическое выделение памяти
Общая для всех потоков
Подвержена сборке мусора
Настройки через Xmx, Xms

Жизненный цикл объекта в куче

Создание - объект создается в Eden Space
Minor GC - выжившие объекты перемещаются в Survivor Space
Копирование - объекты копируются между S0 и S1
Promotion - после нескольких циклов объекты перемещаются в Old Generation
Major GC - очистка Old Generation

Stack Area (Стек)

Структура стека

Stack Frame - фрейм для каждого метода
Local Variables - локальные переменные
Operand Stack - стек операндов
Reference to Runtime Constant Pool

Характеристики

Приватный для каждого потока
Быстрый доступ (LIFO)
Фиксированный размер
StackOverflowError при переполнении

Execution Engine (Исполняющий движок)

Interpreter

Интерпретатор байт-кода

Простая реализация
Медленное выполнение
Используется при старте

JIT Compiler

Just-In-Time компилятор

Компиляция в нативный код
Высокая производительность
Профилирование кода

Garbage Collector

Сборщик мусора

Автоматическое управление памятью
Различные алгоритмы
Минимизация пауз

JIT-компиляция: Детали работы

Типы компиляторов

C1 Compiler - клиентский, быстрая компиляция
C2 Compiler - серверный, агрессивные оптимизации
Tiered Compilation - комбинированный подход

Оптимизации JIT

Inlining методов
Escape Analysis
Loop Unrolling
Dead Code Elimination
Lock Coarsening

Сборка мусора: Алгоритмы

Алгоритм	Тип	Паузы	Использование
Serial GC	Stop-the-World	Длинные	Однопоточные приложения
Parallel GC	Stop-the-World	Средние	Многопроцессорные системы
CMS	Concurrent	Короткие	Приложения с низкой задержкой
G1 GC	Concurrent	Предсказуемые	Большие кучи (>4GB)
ZGC	Concurrent	Минимальные	Очень большие кучи
Shenandoah	Concurrent	Минимальные	Низкие задержки

Garbage Collection: Детали процесса

Типы сборок

Minor GC - очистка Young Generation
Major GC - очистка Old Generation
Full GC - очистка всей кучи
Mixed GC - (G1) сборка частей кучи

Алгоритмы marking

Mark-Sweep - пометка и удаление
Mark-Compact - пометка и уплотнение
Copying - копирование живых объектов
Generational - разделение по возрастам

JVM: Управление производительностью

Мониторинг

jstat - статистика GC
jstack - дамп потоков
jmap - дамп памяти
VisualVM - графический мониторинг
JMX - управление через MBeans

Настройки

-Xms - начальный размер кучи
-Xmx - максимальный размер кучи
-XX:NewRatio - соотношение поколений
-XX:SurvivorRatio - соотношение Eden/Survivor
-XX:+UseG1GC - выбор сборщика

JVM: Безопасность

Механизмы безопасности

Bytecode Verifier - проверка байт-кода
Class Loader Security - изоляция классов
Security Manager - управление permissions
Access Control - контроль доступа

Sandbox модель

Изоляция ненадежного кода
Ограничения на операции
Политика безопасности
Подписанные апплеты

Реализации JVM: Сравнение

Реализация	Разработчик	Особенности	Использование
HotSpot	Oracle	Высокая производительность, advanced JIT	Стандартная реализация
OpenJ9	Eclipse	Низкое потребление памяти, быстрый старт	Cloud, containers
GraalVM	Oracle	Полиглот, AOT компиляция	Microservices, native
Zing	Azul	Нулевые паузы GC (C4)	Real-time системы

JVM Languages: Мультиязычность

Статическая типизация

Java
Kotlin
Scala
Groovy (optional)

Динамическая типизация

JRuby
Jython
JavaScript (Nashorn)

Функциональные

Clojure
Frege
Eta

JVM: Будущее и тренды

Технические тренды

Project Loom - виртуальные потоки
Project Valhalla - value types
Project Panama - native interop
Project Amber - упрощение синтаксиса

Экосистемные тренды

Контейнеризация и cloud-native
Native image (GraalVM)
Микросервисная архитектура
Serverless computing

Практическое значение JVM

Кроссплатформенность - один байт-код на всех платформах
Производительность - современные оптимизации JIT
Надежность - автоматическое управление памятью
Безопасность - встроенные механизмы защиты
Экосистема - богатый набор инструментов и библиотек

Сравнение JDK vs JRE vs JVM

Компонент	Назначение	Включает	Для кого
JVM	Выполнение байт-кода	Исполняющий движок, память	Система
JRE	Запуск приложений	JVM + библиотеки + утилиты	Пользователи
JDK	Разработка приложений	JRE + компилятор + инструменты разработки	Разработчики

Процесс компиляции и выполнения

Java Source (.java) → javac → Bytecode (.class) → JVM → Machine Code

JIT-компиляция

Just-In-Time компиляция - оптимизация производительности

Интерпретация байт-кода при первом запуске
Профилирование "горячих" методов
Компиляция часто используемого кода в нативный
Постоянная оптимизация во время выполнения

Сборщики мусора (Garbage Collectors)

Традиционные

Serial GC - для однопоточных приложений
Parallel GC - для многопроцессорных систем
CMS - Concurrent Mark Sweep

Современные

G1 GC - баланс производительности
ZGC - низкие задержки, большие кучи
Shenandoah - низкие паузы

Структура .class файла

ClassFile {
    u4 magic;                 // 0xCAFEBABE
    u2 minor_version;         // Минорная версия
    u2 major_version;         // Мажорная версия
    u2 constant_pool_count;   // Размер пула констант
    cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; // Пул констант
    u2 access_flags;          // Флаги доступа
    u2 this_class;            // Индекс текущего класса
    u2 super_class;           // Индекс родительского класса
    u2 interfaces_count;      // Количество интерфейсов
    u2 interfaces[interfaces_count]; // Интерфейсы
    u2 fields_count;          // Количество полей
    field_info fields[fields_count]; // Поля
    u2 methods_count;         // Количество методов
    method_info methods[methods_count]; // Методы
    u2 attributes_count;      // Количество атрибутов
    attribute_info attributes[attributes_count]; // Атрибуты
}

Пример Java кода


package ru.petrsu.cross;

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        say("Hello");
        say("World!");
    }

    public static void say(String str) {
        System.out.println(str);
    }
}

Декомпиляция байт-кода


$ javac HelloWorld.java
$ javap -c HelloWorld

Compiled from "HelloWorld.java"
public class ru.petrsu.cross.HelloWorld {
  public ru.petrsu.cross.HelloWorld();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1  // Method java/lang/Object."":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: ldc           #2  // String Hello
       2: invokestatic  #3  // Method say:(Ljava/lang/String;)V
       5: ldc           #4  // String World!
       7: invokestatic  #3  // Method say:(Ljava/lang/String;)V
      10: return

  public static void say(java.lang.String);
    Code:
       0: getstatic     #5  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: invokevirtual #6  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       7: return
}

Инструкции байт-кода

Типы инструкций

Stack Management
Arithmetic Operations
Type Conversions
Object Creation
Field Access

Примеры

aload, iload
iadd, imul
i2l, f2d
new, newarray
getfield, putfield

Вызов методов в JVM

Инструкция	Назначение	Тип связывания
invokestatic	Статические методы	Статическое
invokevirtual	Виртуальные методы	Динамическое
invokeinterface	Методы интерфейсов	Динамическое
invokespecial	Конструкторы, private методы	Статическое
invokedynamic	Динамические вызовы	Динамическое

Управление памятью: Стек vs Куча

Характеристика	Стек	Куча
Скорость доступа	Очень высокая	Относительно медленная
Управление памятью	LIFO, автоматическое	Динамическое, GC
Размер	Ограниченный	Динамический
Потокобезопасность	Да (у каждого потока свой)	Требует синхронизации
Хранение	Примитивы, ссылки	Объекты

Сборка мусора (Garbage Collection)

Автоматическое освобождение неиспользуемой памяти

Mark - пометка используемых объектов
Sweep - удаление непомеченных объектов
Compact - уплотнение памяти (опционально)
Copy - копирование в новое пространство

Типы сборщиков мусора

По алгоритму

Serial Collector
Parallel Collector
Concurrent Mark Sweep (CMS)
Garbage First (G1)
Z Garbage Collector (ZGC)
Shenandoah

По поколениям

Young Generation (Eden, S0, S1)
Old Generation (Tenured)
Permanent Generation (Metaspace)

Serial Collector (Последовательный сборщик)

Алгоритм: Использует алгоритм Mark-Sweep-Compact для старого поколения (Old Generation) и простой копирующий алгоритм (Copying) для молодого (Young Generation). Работает в однопоточном режиме.
Принцип работы: На время сборки мусора (Stop-The-World) все рабочие потоки приложения приостанавливаются. Все операции (маркировка, удаление, уплотнение) выполняются одним потоком.
Сборщик по умолчанию на машинах с единственным процессорным ядром. Не предназначен для высокопроизводительных приложений.
Простота и минимальные накладные расходы.
Эффективен для однопоточных систем и приложений с маленькой кучей (несколько десятков МБ).
Длительные паузы (Stop-The-World), неприемлемые для большинства современных приложений.
-XX:+UseSerialGC

Parallel Collector (Параллельный сборщик / Throughput Collector)

Алгоритм: Также использует Mark-Sweep-Compact и Copying, но выполняет их с помощью множества потоков, что ускоряет процесс.
Принцип работы: Как и Serial, это Stop-The-World сборщик. Однако он использует несколько потоков для ускорения сборки мусора в молодом поколении (что очень эффективно) и, опционально, также для сборки в старом.
Максимизация пропускной способности (throughput) приложения. Идеален для фоновых задач, пакетной обработки, где длительность отдельных пауз не критична, но важна общая производительность.
Значительно выше пропускная способность по сравнению с Serial за счет многопоточности.
Стандартный сборщик в Java 8 и более ранних.
Паузы (Stop-The-World) всё ещё могут быть длительными, особенно при работе с большой кучей.
Активация: -XX:+UseParallelGC (только Young Gen) или -XX:+UseParallelOldGC (оба поколения)

Concurrent Mark Sweep (CMS)

Алгоритм: Использует алгоритм конкурентной маркировки и очистки (Mark-Sweep) для старого поколения. Молодое поколение собирается с помощью многопоточного Stop-The-World алгоритма, аналогичного Parallel.
Принцип работы: Большая часть работы по сборке мусора в старом поколении выполняется параллельно с рабочими потоками приложения. Цель — минимизировать паузы. Не уплотняет память (не делает компактизацию).
Цель: Низкая задержка (low latency) для приложений, чувствительных к паузам (например, веб-серверы, GUI-приложения).
Короткие паузы, так как основная работа ведется конкурентно.
Не уплотняет память, что приводит к фрагментации кучи.
Выше нагрузка на CPU (плата за конкурентность).
Более сложная настройка.
Удален, начиная с Java 14. Не рекомендуется к использованию.
Активация: -XX:+UseConcMarkSweepGC

Garbage First (G1GC)

"Сначала мусор". Разделяет кучу на множество регионов фиксированного размера. Использует алгоритм эволюции от маркировки-очистки к маркировке-уплотнению.
Помечает живые объекты во время фазы, параллельной с приложением.
Затем вычисляет, в каких регионах больше всего мусора (отсюда и название).
В первую очередь собирает эти регионы (это форма эвакуации/уплотнения), что позволяет эффективно освобождать большие объемы памяти.
Замена CMS. Баланс между пропускной способностью и низкими паузами. Целевая пауза (часто ~200 мс) настраивается пользователем.
Предсказуемые паузы.
Хорошо работает с кучами от 4-5 ГБ до десятков ГБ.
Сборщик по умолчанию с Java 9.
По сравнению с ZGC/Shenandoah паузы всё ещё могут быть ощутимыми.
Активация: -XX:+UseG1GC (по умолчанию с Java 9+)

Z Garbage Collector (ZGC)

Основан на одновременной маркировке-уплотнении (конкурентном компактировании) с использованием указателей с цветовой разметкой (colored pointers) и load barriers (барьеров чтения).
Принцип работы: Выполняет всю тяжелую работу (маркировку, уплотнение, перемещение объектов) одновременно с выполнением приложения. Паузы (Stop-The-World) ограничены по длительности только необходимостью сканировать корневые элементы (порядка 1-2 мс) и не зависят от размера кучи.
Сверхнизкие паузы (менее 10 мс даже для терабайтных куч) без ущерба для пропускной способности.
Паузы суб-миллисекундные, не растут с увеличением размера кучи.
Очень высокая масштабируемость.
Поддерживает огромные объемы памяти (несколько ТБ).
Более высокая нагрузка на CPU (плата за низкие задержки).
Активация: -XX:+UseZGC

Shenandoah

Как и ZGC, использует алгоритм одновременной маркировки-уплотнения. Ключевое отличие — в реализации механизма конкурентного перемещения объектов.
Принцип работы: Также выполняет уплотнение одновременно с работой приложения. Вместо цветных указателей использует барьеры чтения и записи (write barriers) и forwarding-указатели для управления перемещенными объектами.
Аналогична ZGC — сверхнизкие паузы (также порядка 1-2 мс), не зависящие от размера кучи.
Чрезвычайно низкие паузы.
Хорошая производительность.
Как и у ZGC, повышенное использование CPU.
Активация: -XX:+UseShenandoahGC

Эволюция Java: От 8 к 23

Основные изменения и нововведения

Java 8 (LTS, 2014) - Функциональное программирование

Лямбда-выражения - анонимные функции
Stream API - функциональная обработка данных
Методы по умолчанию в интерфейсах
Optional - борьба с NPE
New Date/Time API - java.time package
Nashorn JavaScript Engine

Java 9 (2017) - Модульная система

Project Jigsaw - модульная система
JShell - REPL для Java
Factory Methods for Collections - List.of(), Set.of()
HTTP/2 Client (incubator)
Private methods in interfaces
Reactive Streams

Java 10 (2018) - Локальный вывод типов

Local-Variable Type Inference - ключевое слово var
Garbage-Collector Interface - улучшенная архитектура GC
Parallel Full GC for G1
Application Class-Data Sharing
Root Certificates - обновленная security

Java 11 (LTS, 2018) - Стабильность и производительность

HTTP Client API - стандартизация
Launch Single-File Source-Code Programs - java HelloWorld.java
New String Methods - isBlank(), lines(), repeat()
Epsilon GC - no-op сборщик мусора
Flight Recorder - мониторинг production
Nest-Based Access Control

Java 12-14 - Подготовка к будущему

Java 12

Switch Expressions (preview)
Shenandoah GC
Microbenchmark Suite

Java 13

Text Blocks (preview)
Switch Expressions (preview)
ZGC enhancements

Java 14

Switch Expressions (standard)
Records (preview)
Pattern Matching (preview)

Java 15 (2020) - Sealed Classes и текстовые блоки

Sealed Classes (preview) - контроль наследования
Text Blocks (standard) - многострочные строки
Hidden Classes - для фреймворков
ZGC & Shenandoah - production-ready
EdDSA Algorithm - криптография
Records (second preview)

Java 16 (2021) - Стандартизация нововведений

Records (standard) - неизменяемые data-классы
Pattern Matching for instanceof (standard)
Stream.toList() method - удобный сбор в список
Vector API (incubator) - векторные вычисления
Unix-Domain Socket Channels
Alpine Linux Port

Java 17 (LTS, 2021) - Современная база

Sealed Classes (standard)
Pattern Matching for switch (preview)
Foreign Function & Memory API (incubator)
Enhanced Pseudo-Random Number Generators
Context-Specific Deserialization Filters
New macOS Rendering Pipeline

Java 18-20 - Подготовка к виртуальным потокам

Java 18

UTF-8 by Default
Simple Web Server
Code Snippets in JavaDoc

Java 19

Virtual Threads (preview)
Pattern Matching for switch (3rd preview)
Foreign Function & Memory API (preview)

Java 20

Virtual Threads (2nd preview)
Scoped Values (preview)
Record Patterns (preview)

Java 21 (LTS, 2023) - Революция в многопоточности

Virtual Threads (standard) - легковесные потоки
Pattern Matching for switch (standard)
Record Patterns (standard)
Sequenced Collections - новые интерфейсы
String Templates (preview)
Key Encapsulation Mechanism API

Java 22 (2024) - Улучшения и стабилизация

String Templates (second preview)
Implicitly Declared Classes (preview)
Foreign Function & Memory API (final)
Stream Gatherers (preview)
Class-File API (preview)
Statements before super() (preview)

Java 23 (2024) - Текущая версия

Vector API (8th incubator) - векторные вычисления
Stream Gatherers (preview) - кастомные операции
Implicitly Declared Classes (second preview)
Primitive Types in Patterns (preview)
Generational ZGC - улучшенный сборщик мусора
Launch Multi-File Source-Code Programs

Тенденции развития Java

Упрощение синтаксиса - records, pattern matching
Улучшение производительности - виртуальные потоки, новые GC
Безопасность - улучшенная криптография
Межъязыковое взаимодействие - Foreign Function API
Упрощение обучения - неявные классы