1 垃圾收集發(fā)生的區(qū)域

之前我們介紹過(guò) Java 內(nèi)存運(yùn)行時(shí)區(qū)域的各個(gè)部分，其中程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧三個(gè)區(qū)域隨線程共存亡。棧中的每一個(gè)棧幀分配多少內(nèi)存基本上在類結(jié)構(gòu)確定下來(lái)時(shí)就已知，因此這幾個(gè)區(qū)域的內(nèi)存分配和回收都具有確定性，不需要考慮如何回收的問(wèn)題，當(dāng)方法結(jié)束或線程結(jié)束，內(nèi)存自然也跟著回收了

而 Java 堆和方法區(qū)這兩個(gè)區(qū)域則有顯著的不確定性，只有在程序運(yùn)行時(shí)我們才能知道程序究竟創(chuàng)建了哪些對(duì)象，創(chuàng)建了多少對(duì)象，所以這部分內(nèi)存的分配和回收是動(dòng)態(tài)的，垃圾收集器所關(guān)注的正是這部分內(nèi)存該如何管理

2 如何判定需要被回收的對(duì)象？

如果一個(gè)對(duì)象沒(méi)有被其他對(duì)象引用，則證明這個(gè)對(duì)象可以被回收，因?yàn)樗呀?jīng)沒(méi)有實(shí)際用途了。那我們?cè)趺慈ヅ袛嘁粋€(gè)對(duì)象是否可回收呢？業(yè)界主要有兩種判斷方式：

1. 引用計(jì)數(shù)法
在對(duì)象中添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個(gè)地方引用它時(shí)，計(jì)數(shù)器值加一；當(dāng)引用失效，計(jì)數(shù)器值減一；任何時(shí)刻計(jì)數(shù)器值都為零的對(duì)象就是不可能再被使用了。這種方法雖然會(huì)占用額外的內(nèi)存空間用于計(jì)數(shù)，但它的原理簡(jiǎn)單，判定效率也高，大多數(shù)情況下它都是一個(gè)不錯(cuò)的算法。然而，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的算法卻需要考慮很多額外情況，否則將無(wú)法保證其正確工作，例如單純的引用計(jì)數(shù)法就很難解決對(duì)象之間相互循環(huán)引用的問(wèn)題

2. 可達(dá)性分析算法
該算法的基本思路是通過(guò)一系列稱為 GC Roots 的根對(duì)象作為起始節(jié)點(diǎn)集，從這些節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，根據(jù)引用關(guān)系向下搜索，搜索過(guò)程走過(guò)的路徑稱為引用鏈。如果某個(gè)對(duì)象到 GC Roots 間沒(méi)有任何引用鏈相連，則證明此對(duì)象是不可能再被使用，可以回收

在 Java 技術(shù)體系中，可以作為 GC Roots 的對(duì)象包括：

• 在虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對(duì)象
• 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對(duì)象
• 方法區(qū)中常量引用的對(duì)象
• 本地方法棧中 JNI（即通常所說(shuō)的 Native 方法）引用的對(duì)象
• Java 虛擬機(jī)內(nèi)部的引用，如基本數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)的 Class 對(duì)象，一些常駐的異常對(duì)象（NullPointException、OutOfMemoryError）
• 所有被同步鎖持有的對(duì)象
• 反映 Java 虛擬機(jī)內(nèi)部情況的 JMXBean、JVMTI 中注冊(cè)的回調(diào)、本地代碼緩存等

除了這些固定的 GC Roots 集合外，根據(jù)用戶所選用的垃圾收集器以及當(dāng)前回收的內(nèi)存區(qū)域的不同，還可以有其他對(duì)象臨時(shí)加入，共同構(gòu)成完整的 GC Roots 集合

3 四種引用類型

無(wú)論是通過(guò)引用計(jì)數(shù)法還是可達(dá)性分析算法，判斷對(duì)象是否存活都和引用離不開(kāi)關(guān)系。在 JDK1.2 以前，Java 里的引用是很傳統(tǒng)的定義：如果 reference 類型的數(shù)據(jù)中存儲(chǔ)的數(shù)值代表的是另外一塊內(nèi)存的起始地址，就稱該 reference 數(shù)據(jù)是代表某塊內(nèi)存、某個(gè)對(duì)象的引用。這種定義當(dāng)然沒(méi)有什么不對(duì)，但現(xiàn)在看來(lái)顯得太狹隘了，比如我們希望描述一類對(duì)象：當(dāng)內(nèi)存空間足夠時(shí)，能保留在內(nèi)存中，如果內(nèi)存空間在進(jìn)行了垃圾收集后仍然緊張，則可以拋棄這些對(duì)象，很多系統(tǒng)的緩存功能都符合這樣的應(yīng)用場(chǎng)景

JDK1.2 對(duì)引用的概念作了補(bǔ)充，將引用分為強(qiáng)引用（Strongly Reference）、軟引用（SoftReference）、弱引用（Weak Reference）和虛引用（Phantom Reference），強(qiáng)度依次減弱

• 強(qiáng)引用

形如 Object obj = new Object() 這種引用關(guān)系就是我們常說(shuō)的強(qiáng)引用。無(wú)論什么情況，只要強(qiáng)引用關(guān)系存在，對(duì)象就永遠(yuǎn)不會(huì)被回收

• 軟引用

用來(lái)描述一些有用但非必須的對(duì)象。此類對(duì)象只有在進(jìn)行一次垃圾收集仍然沒(méi)有足夠內(nèi)存時(shí)，才會(huì)在第二次垃圾收集時(shí)被回收。JDK1.2 之后提供了 SoftReference 類來(lái)實(shí)現(xiàn)軟引用

• 弱引用

也是用來(lái)描述那些非必須對(duì)象，但它的強(qiáng)度比軟引用更弱一些。被軟引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生為止，當(dāng)垃圾收集器開(kāi)始工作，無(wú)論當(dāng)前內(nèi)存是否足夠，都會(huì)回收掉只被弱引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象。JDK1.2 之后提供了 WeakReference 類來(lái)實(shí)現(xiàn)軟引用

• 虛引用

最弱的一種引用關(guān)系，一個(gè)對(duì)象是否存在虛引用，絲毫不會(huì)對(duì)其生存時(shí)間造成任何影響，也無(wú)法通過(guò)虛引用來(lái)取得一個(gè)對(duì)象實(shí)例。設(shè)置虛引用關(guān)聯(lián)的唯一目的就是讓這個(gè)對(duì)象被回收時(shí)能收到一個(gè)系統(tǒng)通知。JDK1.2 之后提供了 PhantomReference 類來(lái)實(shí)現(xiàn)軟引用

4 finalize() 方法

在可達(dá)性分析中被判定為不可達(dá)的對(duì)象，并不是立即赴死，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過(guò)程：如果對(duì)象在進(jìn)行可達(dá)性分析后發(fā)現(xiàn)沒(méi)有與 GC Root 相連接的引用鏈，那么它將被第一次標(biāo)記，隨后再進(jìn)行一次篩選，篩選條件是對(duì)象是否有必要執(zhí)行 finalize() 方法，如果對(duì)象沒(méi)有覆蓋 finalize() 方法或是 finalize() 方法已經(jīng)被調(diào)用過(guò)，則都視為“沒(méi)有必要執(zhí)行”

如果對(duì)象被判定為有必要執(zhí)行 finalize() 方法，那么該對(duì)象將會(huì)被放置在一個(gè)名為 F-Queue 的隊(duì)列之中，并在稍后由一條由虛擬機(jī)自動(dòng)創(chuàng)建的、低調(diào)度優(yōu)先級(jí)的 Finalizer 線程去執(zhí)行它們的 finalize() 方法。注意這里所說(shuō)的執(zhí)行是指虛擬機(jī)會(huì)觸發(fā)這個(gè)方法開(kāi)始運(yùn)行，但并不承諾一定會(huì)等待它運(yùn)行結(jié)束。這樣做的原因是防止某個(gè)對(duì)象的 finalize() 方法執(zhí)行緩慢，或者發(fā)生死循環(huán)，導(dǎo)致 F-Queue 隊(duì)列中的其他對(duì)象永久處于等待狀態(tài)

finalize() 方法是對(duì)象逃脫死亡命運(yùn)的最后一次機(jī)會(huì)，稍后收集器將對(duì) F-Queue 中的對(duì)象進(jìn)行第二次小規(guī)模標(biāo)記，如果對(duì)象希望在 finalize() 方法中成功拯救自己，只要重新與引用鏈上的任何一個(gè)對(duì)象建立關(guān)聯(lián)即可，那么在第二次標(biāo)記時(shí)它將被移出“即將回收”的集合；如果對(duì)象這時(shí)候還沒(méi)有逃脫，那基本上就真的要被回收了

任何一個(gè)對(duì)象的 finalize() 方法都只會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用一次，如果對(duì)象面臨下一次回收，它的 finalize() 方法將不會(huì)再執(zhí)行。finalize() 方法運(yùn)行代價(jià)高，不確定性大，無(wú)法保證各個(gè)對(duì)象的調(diào)用順序，因此已被官方明確聲明為不推薦使用的語(yǔ)法

5 回收方法區(qū)

方法區(qū)的垃圾收集主要回收兩部分：廢棄的常量和不再使用的類型。判定一個(gè)常量是否廢棄相對(duì)簡(jiǎn)單，與對(duì)象類似，只要某個(gè)常量不再被引用，就會(huì)被清理。而判定一個(gè)類型是否屬于“不再被使用的類”的條件就比較苛刻了，需要同時(shí)滿足下面三個(gè)條件：

• 該類的所有實(shí)例都已經(jīng)被回收，即 Java 堆中不存在該類及其任何派生子類的實(shí)例
• 加載該類的類加載器已經(jīng)被回收
• 該類對(duì)應(yīng)的 java.lang.Class 對(duì)象沒(méi)有在任何地方被引用，無(wú)法再任何地方通過(guò)反射訪問(wèn)該類的方法

Java 虛擬機(jī)允許對(duì)滿足上述三個(gè)條件的無(wú)用類進(jìn)行回收，但并不是說(shuō)必然被回收，僅僅是允許而已。關(guān)于是否要對(duì)類型進(jìn)行回收，HotSpot 虛擬機(jī)提供了 -Xnoclassgc 參數(shù)進(jìn)行控制

6 分代收集理論

當(dāng)前商業(yè)虛擬機(jī)的垃圾收集器大多數(shù)都遵循了“分代收集”的設(shè)計(jì)理論，分代收集理論其實(shí)是一套符合大多數(shù)程序運(yùn)行實(shí)際情況的經(jīng)驗(yàn)法則，主要建立在兩個(gè)分代假說(shuō)之上：

• 弱分代假說(shuō)：絕大多數(shù)對(duì)象都是朝生夕滅的
• 強(qiáng)分代假說(shuō)：熬過(guò)越多次垃圾收集過(guò)程的對(duì)象就越難以消亡

這兩個(gè)分代假說(shuō)共同奠定了多款常用垃圾收集器的一致設(shè)計(jì)原則：收集器應(yīng)該將 Java 堆劃分出不同的區(qū)域，將回收對(duì)象依據(jù)年齡（即對(duì)象熬過(guò)垃圾收集過(guò)程的次數(shù)）分配到不同的區(qū)域之中存儲(chǔ)，把存活時(shí)間短的對(duì)象集中在一起，每次回收只關(guān)注如何保留少量存活的對(duì)象，即新生代（Young Generation）；把難以消亡的對(duì)象集中在一起，虛擬機(jī)就可以使用較低的頻率來(lái)回收這個(gè)區(qū)域，即老年代（Old Generation）

正因?yàn)閯澇隽瞬煌膮^(qū)域，垃圾收集器才可以每次只回收其中一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，因此才有了“Minor GC”、“Major GC”、“Full GC”這樣的回收類型劃分，也才能夠針對(duì)不同的區(qū)域采用不同的垃圾收集算法，因而有了“標(biāo)記-復(fù)制”算法、“標(biāo)記-清除”算法、“標(biāo)記-整理”算法

分代收集并非只是簡(jiǎn)單劃分一下內(nèi)存區(qū)域，它至少存在一個(gè)明顯的困難：對(duì)象之間不是孤立的，對(duì)象之間會(huì)存在跨代引用。假如現(xiàn)在要進(jìn)行只局限于新生代的垃圾收集，根據(jù)前面可達(dá)性分析的知識(shí)，與 GC Roots 之間不存在引用鏈即為可回收，但新生代的對(duì)象很有可能會(huì)被老年代所引用，那么老年代對(duì)象將臨時(shí)加入 GC Roots 集合中，我們不得不再額外遍歷整個(gè)老年代中的所有對(duì)象來(lái)確?？蛇_(dá)性分析結(jié)果的正確性，這無(wú)疑為內(nèi)存回收帶來(lái)很大的性能負(fù)擔(dān)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，就需要對(duì)分代收集理論添加第三條經(jīng)驗(yàn)法則：

• 跨代引用假說(shuō)：跨代引用相對(duì)于同代引用僅占少數(shù)

存在互相引用的兩個(gè)對(duì)象，應(yīng)該是傾向于同時(shí)生存或同時(shí)消亡的，舉個(gè)例子，如果某個(gè)新生代對(duì)象存在跨代引用，由于老年代對(duì)象難以消亡，會(huì)使得新生代對(duì)象同樣在收集時(shí)得以存活，進(jìn)而年齡增長(zhǎng)后晉升到老年代，那么跨代引用也隨之消除了。既然跨帶引用只是少數(shù)，那么就沒(méi)必要去掃描整個(gè)老年代，也不必專門記錄每一個(gè)對(duì)象是否存在哪些跨代引用，只需在新生代上建立一個(gè)全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為記憶集（Remembered Set），這個(gè)結(jié)構(gòu)把老年代劃分為若干個(gè)小塊，標(biāo)識(shí)出老年代的哪一塊內(nèi)存會(huì)存在跨代引用。此后當(dāng)發(fā)生 Minor GC 時(shí)，只有包含了跨代引用的小塊內(nèi)存里的對(duì)象才會(huì)被加入 GC Roots 進(jìn)行掃描

7 標(biāo)記 - 清除算法
如其名，算法分為標(biāo)記和清除兩個(gè)階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象，在標(biāo)記完成之后，統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對(duì)象，也可以反過(guò)來(lái)，標(biāo)記存活的對(duì)象，統(tǒng)一回收所有未被標(biāo)記的對(duì)象。標(biāo)記過(guò)程就是對(duì)象是否屬于垃圾的判定過(guò)程。標(biāo)記 - 清除算法執(zhí)行過(guò)程如圖所示：

標(biāo)記 - 清除算法是最基礎(chǔ)的算法，后續(xù)的收集算法都是以標(biāo)記 - 清除算法為基礎(chǔ)，對(duì)其缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，它的主要缺點(diǎn)有兩個(gè)：

• 執(zhí)行效率不穩(wěn)定

如果 Java 堆中包含大量對(duì)象且大部分需要回收，則必須進(jìn)行大量標(biāo)記和清除的動(dòng)作‘

• 內(nèi)存空間碎片化問(wèn)題

標(biāo)記、清除之后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，內(nèi)存碎片太多會(huì)導(dǎo)致下次分配較大對(duì)象時(shí)無(wú)法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存，從而不得不提前觸發(fā)一次垃圾收集動(dòng)作

8 標(biāo)記 - 復(fù)制算法

為了解決標(biāo)記 - 清除算法面對(duì)大量可回收對(duì)象時(shí)執(zhí)行效率低的問(wèn)題，復(fù)制算法將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中一塊，當(dāng)這一塊內(nèi)存用完了，就將還存活著的對(duì)象復(fù)制到另外一內(nèi)存上，再把已使用過(guò)的內(nèi)存空間一次清理掉

如果內(nèi)存中多數(shù)對(duì)象都是存活的，這種算法無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生大量?jī)?nèi)存間復(fù)制的開(kāi)銷，但對(duì)于多數(shù)對(duì)象都是可回收的情況，算法需要復(fù)制的就是占少數(shù)的存活對(duì)象，而且每次都是針對(duì)整個(gè)半?yún)^(qū)進(jìn)行內(nèi)存回收，分配內(nèi)存時(shí)也不用考慮空間碎片的問(wèn)題，只要移動(dòng)堆頂指針，按順序分配即可。不過(guò)這種算法的缺陷也顯而易見(jiàn)，可用內(nèi)存被縮小為原來(lái)的一半

標(biāo)記 - 復(fù)制算法大多用于新生代。實(shí)際上，新生代中的對(duì)象大多數(shù)都熬不過(guò)第一輪收集，因此不需要按 1:1 的比例來(lái)劃分新生代的內(nèi)存空間。具體做法是將新生代劃分為一塊較大的 Eden 區(qū)和兩塊較小的 Survivor 區(qū)，每次分配只使用 Eden 區(qū)和其中一塊 Survivor 區(qū)。發(fā)生垃圾收集時(shí)，將 Eden 區(qū)和 Survivor 區(qū)中仍然存活的對(duì)象一次性復(fù)制到另一個(gè) Survivor 區(qū)，然后直接清理掉 Eden 區(qū)和已經(jīng)用過(guò)的 Survivor 區(qū)。HotSpot 虛擬機(jī)默認(rèn) Eden 和 Survivor 的大小比例是 8:1:1

當(dāng) Survivor 空間不足以容納一次 Minor GC 之后存活的對(duì)象時(shí)，就需要依賴其他內(nèi)存區(qū)域（大多是老年代）進(jìn)行分配擔(dān)保，上一次新生代存活下來(lái)的對(duì)象直接進(jìn)入老年代

9 標(biāo)記 - 整理算法

標(biāo)記 - 復(fù)制算法不適合用在對(duì)象存活率高的區(qū)域，而且會(huì)浪費(fèi)一半的空間，因此老年代一般不采用這種算法，取而代之的是有針對(duì)性的標(biāo)記 - 整理算法。標(biāo)記 - 整理算法的標(biāo)記過(guò)程與標(biāo)記 - 清除算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接清理可回收對(duì)象，而是讓所有存活對(duì)象都向內(nèi)存空間的一側(cè)移動(dòng)，然后直接清理掉邊界以外的內(nèi)存

是否移動(dòng)回收后的存活對(duì)象是一項(xiàng)優(yōu)缺點(diǎn)并存的風(fēng)險(xiǎn)決策，尤其是在老年代這種每次回收都有大量對(duì)象存活的區(qū)域，移動(dòng)存活對(duì)象并更新其引用將會(huì)是一個(gè)極為繁重的操作，必須暫停用戶應(yīng)用程序線程才能進(jìn)行，像這樣的停頓行為被稱為“Stop the World”。但如果不考慮移動(dòng)存活對(duì)象，又會(huì)影響內(nèi)存分配和訪問(wèn)的效率，為此使用者必須小心權(quán)衡其中的得失。一種和稀泥式的解決方案就是讓虛擬機(jī)平時(shí)采用標(biāo)記 - 清除算法，直到內(nèi)存空間碎片化程度大到影響對(duì)象分配時(shí)，再采用標(biāo)記 - 整理算法收集一次，已獲得規(guī)整的內(nèi)存空間

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