垃圾回收概述

什么是垃圾

垃圾是指在运行程序中没有任何指针指向的对象，这个对象就是需要被回收的垃圾。

如果不及时对内存中的垃圾进行清理，那么，这些垃圾对象所占的内存空间会一直保留到应用程序的结束，被保留的空间无法被其它对象使用，甚至可能导致内存溢出。

为什么需要GC

对于高级语言来说，一个基本认知是如果不进行垃圾回收，内存迟早都会被消耗完，因为不断地分配内存空间而不进行回收，就好像不停地生产生活垃圾而从来不打扫一样。

除了释放没用的对象，垃圾回收也可以清除内存里的记录碎片。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，以便JVM将整理出的内存分配给新的对象。

Java垃圾回收机制

自动内存管理，无需开发人员手动参与内存的分配与回收，这样降低内存泄漏和内存溢出的风险。自动内存管理机制，将程序员从繁重的内存管理中释放出来，可以更专心地专注于业务开发

垃圾回收-标记阶段相关算法

在堆里面存放着Java世界中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，首先需要区分出内存中哪些是存活对象，哪些是已经死亡的对象。只有被标记为己经死亡的对象，GC才会在执行垃圾回收时，释放掉其所占用的内存空间，因此这个过程我们可以称为垃圾标记阶段。

引用计数算法

在对象中添加一个引用计算器，每当一个地方引用它时，计算器值就加一；当引用失效时，计算器值就减一；任何时刻计算器为0的对象就是不可能再被使用的。

优点

• 实现简单，垃圾对象便于辨识
• 判定效率高，回收没有延迟性。

缺点

• 它需要单独的字段存储计数器，这样的做法增加了存储空间的开销。

• 每次赋值都需要更新计数器，伴随着加法和减法操作，这增加了时间开销。

• 引用计数器有一个严重的问题，即无法处理循环引用的情况。这是一条致命缺陷，导致在Java的垃圾回收器中没有使用这类算法。

循环应用问题

public class RefCountGC {
    // 这个成员属性的唯一作用就是占用一点内存
    private byte[] bigSize = new byte[5*1024*1024];
    // 引用
    Object reference = null;

    public static void main(String[] args) {
        RefCountGC obj1 = new RefCountGC();
        RefCountGC obj2 = new RefCountGC();
        
        obj1.reference = obj2;
        obj2.reference = obj1;
        
        obj1 = null;
        obj2 = null;
        // 显示的执行垃圾收集行为
        // 这里发生GC，obj1和obj2是否被回收？
        System.gc();
    }
}
// 运行结果
PSYoungGen: 15490K->808K(76288K)] 15490K->816K(251392K)

在这里，两个对象除了彼此引用之外，再无任何引用，实际上两个对象已经不可能再被访问，但是因为它们相互引用对方，导致它们的引用计数器不为0，引用技术算法就无法回收他们。

可达性分析算法

当前主流的语言的内存管理子系统，都是通过可达性分析算法来判定对象是否存活的。可达性分析算法不仅同样具备实现简单和执行高效等特点，更重要的是该算法可以有效地解决在引用计数算法中循环引用的问题，防止内存泄漏的发生。

基本思路

• 可达性分析算法是以根对象集合（GCRoots）为起始点，按照从上至下的方式搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达。

• 使用可达性分析算法后，内存中的存活对象都会被根对象集合直接或间接连接着，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain）

• 如果目标对象没有任何引用链相连，则是不可达的，就意味着该对象己经死亡，可以标记为垃圾对象。

• 在可达性分析算法中，只有能够被根对象集合直接或者间接连接的对象才是存活对象。

Java技术系统中，固定作为GC Roots的对象包括：

• 虚拟机栈中引用的对象

• • 比如：各个线程被调用的方法中使用到的参数、局部变量等。

• 本地方法栈内JNI（通常说的本地方法）引用的对象

• 方法区中类静态属性引用的对象

• • 比如：Java类的引用类型静态变量

• 方法区中常量引用的对象

• • 比如：字符串常量池（String Table）里的引用

• 所有被同步锁synchronized持有的对象

• Java虚拟机内部的引用。

• • 基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（如：NullPointerException、OutOfMemoryError），系统类加载器。

• 反映java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。

引用深入

无论是通过计数计数算法判断对象的引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象是否引用链可达，判断对象是否存活都和“引用”离不开关系。但是JDK1.2之前，对于引用的定义过于狭义：一个对象只有被引用或者未被引用两种状态。

在JDK1.2版之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为：强引用（Strong Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用（Phantom Reference）这4种引用强度依次逐渐减弱。

• 强引用（StrongReference）：最传统的“引用”的定义，是指在程序代码之中普遍存在的引用赋值，即类似“Object obj = new Object()”这种引用关系。无论任何情况下，只要强引用关系还存在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。

• 软引用（SoftReference）：在系统将要发生内存溢出之前，将会把这些对象列入回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收后还没有足够的内存，才会抛出内存流出异常。

• 弱引用（WeakReference）：被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集之前。当垃圾收集器工作时，无论内存空间是否足够，都会回收掉被弱引用关联的对象。

• 虚引用（PhantomReference）：一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来获得一个对象的实例。为一个对象设置虚引用关联的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。

对象finalization机制

如果从所有的根节点都无法访问到某个对象，说明对象己经不再使用了。一般来说，此对象需要被回收。但事实上，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段。而finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会。

永远不要主动调用某个对象的finalize()方法I应该交给垃圾回收机制调用。理由包括下面三点：

• 在finalize()时可能会导致对象复活。

• finalize()方法的执行时间是没有保障的，它完全由GC线程决定，极端情况下，若不发生GC，则finalize()方法将没有执行机会。

• 一个糟糕的finalize()会严重影响Gc的性能。

垃圾回收-清除阶段相关算法

当成功区分出内存中存活对象和死亡对象后，GC接下来的任务就是执行垃圾回收，释放掉无用对象所占用的内存空间，以便有足够的可用内存空间为新对象分配内存。

目前在JVM中比较常见的三种垃圾收集算法是标记一清除算法（Mark-Sweep）、复制算法（copying）、标记-压缩算法（Mark-Compact）

标记-清除算法

基本思想

算法分为标记和清除两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后，统一回收掉所有被标记的对象。

缺点

• 执行效率不稳定，如果有大部分需要被回收的对象，这时需要进行大量标记和清除动作，导致标记和清除两个过程的执行效率都会随着对象数量增长而降低。
• 内存空间的碎片化问题，这种方式清理出来的空闲内存是不连续的，如果需要分配较大对象无法找到足够多的连续内存，就需要额外一次垃圾收集动作。

标记-复制算法

基本思想

将活着的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，最后完成垃圾回收

优点

• 没有标记和清除过程，实现简单，运行高效

• 复制过去以后保证空间的连续性，不会出现“碎片”问题。

缺点

• 此算法的缺点也是很明显的，就是需要两倍的内存空间。

应用场景

在新生代，对常规应用的垃圾回收，一次通常可以回收70% - 99% 的内存空间。回收性价比很高。所以现在的商业虚拟机都是用这种收集算法回收新生代。

标记-整理算法

复制算法的高效性是建立在存活对象少、垃圾对象多的前提下的。这种情况在新生代经常发生，但是在老年代，更常见的情况是大部分对象都是存活对象。如果依然使用复制算法，由于存活对象较多，复制的成本也将很高。因此，基于老年代垃圾回收的特性，需要使用其他的算法。

基本思想

第一阶段和标记清除算法一样，从根节点开始标记所有被引用对象，第二阶段将所有的存活对象压缩到内存的一端，按顺序排放，之后，清理边界外所有的空间。

优点

• 消除了标记-清除算法当中，内存区域分散的缺点，我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可。

• 消除了复制算法当中，内存减半的高额代价。

缺点

• 从效率上来说，标记-整理算法要低于复制算法。

• 移动对象的同时，如果对象被其他对象引用，则还需要调整引用的地址

分代收集算法

前面所有这些算法中，并没有一种算法可以完全替代其他算法，它们都具有自己独特的优势和特点。分代收集算法应运而生。

分代收集算法，是基于这样一个事实：不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点使用不同的回收算法，以提高垃圾回收的效率。

年轻代

年轻代特点：区域相对老年代较小，对象生命周期短、存活率低，回收频繁。

这种情况复制算法的回收整理，速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对象大小有关，因此很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题，通过hotspot中的两个survivor的设计得到缓解。

老年代

老年代特点：区域较大，对象生命周期长、存活率高，回收不及年轻代频繁。

这种情况存在大量存活率高的对象，复制算法明显变得不合适。一般是由标记-清除或者是标记-清除与标记-整理的混合实现。

参考

深入理解Java虚拟机（第3版） (opens new window)

JVM从入门到精通 (opens new window)