GC基本原理学习（Garbage Collected）

Java 基础知识 每周主题

引言

Java的内存动态分配和垃圾收集的问题，都交给了JVM来处理。意注，将JVM运行数据区（虚拟机栈【栈帧】，程序计数器，堆内存）粗略的分为栈和堆（所有线程共享），回收的是堆中的对象实例。不是栈中的引用类型。
绘制的内存图
那么JVM是如何处理的？
从三个问题来分析：
1. 哪些内存需要回收？
2. 什么时候进行回收？
3. 如何回收？

注：现代收集器基本采用分代收集算法，堆分为：新生代和老年代。

1. 哪些内存需要回收？什么时候回收？

1.1 了解下对象的创建：

1. 通过new 关键字。
2. JVM遇到new指令，检查是否能在常量池中定位到一个类的符号引用。
3. 检查是否已被加载，解析，初始化过。
4. 没有，则执行相应的类加载过程。
5. 类加载检查通过后，为新生对象分配内存。（类加载后确定对象所需内存大小）
6. 从Java堆中划分出一块确定的内存。

1.2 若为“死亡”的对象，则需要回收，如何判断对象是否存活？

1.2.1 引用计数算法

• 给对象添加一个引用计数器
• 每当有一个地方引用它时，计数器指加1
• 当引用失效时，计数器指减1
• 任何时刻计数器为0的对象就是需要回收的
  Java虚拟机没有采用这种方法来管理内存，主要原因是它难以解决对象之间相互循环引用的问题。（python中采用）

1.2.2 可达性分析算法

• 用一个“GC Roots”的对象（指一系列中的其中一个并非某一种）作为起始点
• 从该节点向下搜索，搜索走过的路径称为引用链
• 若一个对象没有与任何引用链相连，即不可达
• 证明该对象是不可用，死亡
  Java,C#采用此方法。

1.2.3 哪些可作为GC Roots的对象？

• 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈中JNI引用的对象

1.2.4 无论哪种算法都是与“引用”有关，下面分析引用的4种类型，强度依次减弱。

• 强引用：Java中普遍存在的（如：Object obj = new Object()），只要强引用还在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象实例。
• 软引用：用于有用但非必需的对象。在系统要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。[SoftReference]
• 弱引用：用于非必需对象。被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。[WeakReference]
• 虚引用：不影响生存时间，唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。[PhantomReference]

1.2.5 详解，真正的"死亡"对象（两次标记后进行回收）

事实上，不可达的对象，也并非“非死不可”，这时它们处于“缓刑”阶段，真正死亡至少要经历两次标记过程：

1.2.5.1 第一次标记

• 对对象进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链
• 筛选是否有必要执行finalize()方法[没有覆盖finalize()方法或finalize()方法已经被JVM调用过，视为“无需执行”]

1.2.5.2 第二次标记【需要执行finalize(),通过筛选】

• 将该对象放置F-Queue的队列中
• JVM自动建立一个低优先级的Finalizer线程去执行它（会触发执行，但不一定等待它运行结束）
• GC对F-Queue中的对象进行标记（对象可通过finalize()拯救自己，重新关联引用链等）
  不建议使用finalize()

1.3 上面讲的是需要回收的堆内存，关于回收方法区(或HotSpot虚拟机中的永久代），效率低

1.3.1 废弃常量

• 与堆类似，没有任何对象和其它地方引用的常量
• 随内存回收，被系统清理出常量池

1.3.2 无用的类

• 该类所有的实例都已经被回收（堆中无该类的实例）
• 加载该类的ClassLoader已经被回收
• 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法通过反射访问该类的方法。

2. 如何回收？【垃圾收集算法】

2.1 标记-清除[Mark-Sweep]算法

• 标记出所有需要回收的对象
• 统一回收(清除)所有被标记的对象
  

  缺点：效率不高；标记清除后会产生大量不连续的内存碎片。

2.2 复制[Copying]算法

• 将可用内存按容量划分为大小相等的两块
• 每次只使用其中的一块
• 当使用的这块内存用完了，则将还存活的对象复制到另一块上面
• 把使用过的那块内存一次性清理掉
  

  优点：实现简单，运行高效，可按顺序分配内存。
   缺点：内存直接缩小为原来一半，代价太大；对象存活率较高时，效率变低。

2.3 标记-整理[Mark-Compact]算法

• 标记出所有需要回收的对象
• 让所有存活的对象都向一端移动（整理）
• 清理掉存活对象端以外的内存
  

  适合堆中的老年代的垃圾收集

2.4 分代收集[Generational Collection]算法（商业虚拟机主要采用方法）

• 根据对象存活周期的不同将内存划分为几块
• 一般分为新生代和老年代
• 不同年代采用最适当的收集算法
• 新生代，一般复制算法
• 老年代，一般“标记-清理”或“标记-整理”
  具体如何回收，需依据具体的垃圾收集器实现

关于内存泄露

1. OutOfMemoryError异常，java堆溢出：-Xms ，-Xmx
   对象不断被创建，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么在对象数量到达最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。
2. VM Stack溢出。-Xss
3. 常量池溢出。-XX：PermSize，-XX:MaxPermSize

参考：《深入理解Java虚拟机》