java虚拟机之垃圾回收机制

一.需要回收的内存区域

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈 3 个区域随线程生灭(因为是线程私有)，栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作。而 Java 堆和方法区则不一样，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期才知道那些对象会创建，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾回收期所关注的就是这部分内存。
二.垃圾收集算法

主要完成两个功能：检测出垃圾对象；回收垃圾对象占用的空间并归还给程序。

1.如何检测出垃圾对象？

（1）引用计数算法

原理：堆中的每一个对象有一个引用计数，当一个对象被创建，并把指向该对象的引用赋值给一个变量时，引用计数置为1，当再把这个引用赋值给其他变量时，引用计数加1，当一个对象的引用超过了生命周期或者被设置为新值时，对象的引用计数减1，任何引用计数为0的对象都可以被当成垃圾回收。当一个对象被回收时，它所引用的任何对象计数减1，这样，可能会导致其他对象也被当垃圾回收。

问题：

jdk从1.2开始增加了多种引用方式：软引用、弱引用、虚引用，且在不同引用情况下程序应进行不同的操作。如果我们只采用一个引用计数法来计数无法准确的区分这么多种引用的情况。
如果一个对象A持有对象B，而对象B也持有一个对象A，那发生了类似操作系统中死锁的循环持有，这种情况下A与B的counter恒大于1，会使得GC永远无法回收这两个对象。

在代码objA = null 和 objB = null 之前，内存结构示意图如下:

在代码objA = null 和 objB = null 之后，内存结构示意图如下：

（2）可达性分析算法

原理：程序把所有的引用关系看作一张图，从一个节点GC ROOT开始，寻找对应的引用节点，找到这个节点以后，继续寻找这个节点的引用节点，当所有的引用节点寻找完毕之后，剩余的节点则被认为是没有被引用到的节点，即无用的节点。

一般来说，如下情况的对象可以作为GC Roots：

虚拟机栈(栈桢中的本地变量表)中的引用的对象
方法区中的类静态属性引用的对象
方法区中的常量引用的对象
本地方法栈中JNI（Native方法）的引用的对象

下面给出一个GCRoots的例子，如下图，为GCRoots的引用链。

由图可知，obj8、obj9、obj10都没有到GCRoots对象的引用链，即便obj9和obj10之间有引用链，他们还是会被当成垃圾处理，可以进行回收。

2.引用

无论是通过引用计数法判断对象引用数量，还是通过可达性分析法判断对象的引用链是否可达，判定对象的存活都与“引用”有关。JDK1.2以后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用四种（引用强度逐渐减弱）

（1）强引用

以前我们使用的大部分引用实际上都是强引用，这是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那就类似于必不可少的生活用品，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。

（2）软引用（SoftReference）

如果一个对象只具有软引用，那就类似于可有可无的生活用品。如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，JAVA虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

（3）弱引用（WeakReference）

如果一个对象只具有弱引用，那就类似于可有可无的生活用品。弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

（4）虚引用（PhantomReference）

"虚引用"顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：虚引用必须和引用队列（ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。特别注意，在程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用，使用软引用的情况较多，这是因为软引用可以加速JVM对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运行安全，防止内存溢出（OutOfMemory）等问题的产生。

3.不可达的对象并非“非死不可”

即使在可达性分析法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑阶段”，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程；可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。当对象没有覆盖 finalize 方法，或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时，虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。被判定为需要执行的对象将会被放在一个队列中进行第二次标记，除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联，否则就会被真的回收。

4.如何判断一个常量是废弃常量

运行时常量池主要回收的是废弃的常量。那么，我们如何判断一个常量是废弃常量呢？

假如在常量池中存在字符串 "abc"，如果当前没有任何String对象引用该字符串常量的话，就说明常量 "abc" 就是废弃常量，如果这时发生内存回收的话而且有必要的话，"abc" 就会被系统清理出常量池。

5.如何判断一个类是无用的类

方法区主要回收的是无用的类，那么如何判断一个类是无用的类的呢？

判定一个常量是否是“废弃常量”比较简单，而要判定一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面3个条件才能算是 “无用的类” ：

该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
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，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述3个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“可以”，而并不是和对象一样不使用了就会必然被回收。

6.垃圾收集算法

标记清除算法
复制算法
标记整理算法
分收代集算法

（1）标记清除算法

首先标记出所有需要回收的对象，使用可达性分析算法判断一个对象是否为可回收，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。下图是算法具体的一次执行过程后的结果对比。

说明：1.效率问题，标记和清除两个阶段的效率都不高。2.空间问题，标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，以后需要给大对象分配内存时，会提前触发一次垃圾回收动作。

（2）复制算法

将内存分为两等块，每次使用其中一块。当这一块内存用完后，就将还存活的对象复制到另外一个块上面，然后再把已经使用过的内存空间一次清理掉。图是算法具体的一次执行过程后的结果对比。

说明：1.无内存碎片问题。2.可用内存缩小为原来的一半。 3.当存活的对象数量很多时，复制的效率很慢。

（3）标记整理算法

标记过程还是和标记 - 清除算法一样，之后让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存，标记 - 整理算法示意图如下：

说明：1.无需考虑内存碎片问题。

（4）分代收集算法

把堆分为新生代和老年代，然后根据各年代的特点选择最合适的回收算法。在新生代基本上都是朝生暮死的，生存时间很短暂，因此可以采拥标记 - 复制算法，只需要复制少量的对象就可以完成收集。而老年代中的对象存活率高，也没有额外的空间进行分配担保，因此必须使用标记 - 整理或者标记 - 清除算法进行回收。