垃圾收集(GC)中如何确定哪些内存是"垃圾

垃圾收集(Garbage Collection,GC),要设计一个GC,需要考虑解决下面三件事情：
(1)哪些内存需要回收?
(2)什么时候回收?
(3)如何回收?

哪些内存需要回收？
根据《Java内存区域模型、对象创建过程、常见OOM》中介绍的java内存模型,其中,程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生,随线程而灭；栈中的栈帧随着方法的进入和退出有条不紊地执行着出栈和入栈操作。每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的,因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性,故这几个区域就不需要过多考虑回收的问题,因为方法结束或者线程结束时,内存自然就跟着回收了。
对于java堆和方法区则不一样,java堆是存放实例对象的地方,我们只有在程序运行期间才能知道会创建哪些对象,这部分内存的分配和回收是动态的,因此,垃圾收集器所关注的就是这一部分。
对于方法区(或者说HotSpot虚拟机中的永久代),垃圾回收主要是回收这两部分内容：废弃常量和无用的类。对于废弃常量,主要是判断当前系统中有没有对象引用这个常量；对于无用类则比较严格,需要满足下面三个条件：
(1)该类的所有实例都已经被回收,即堆中不存在该类任何实例；
(2)加载该类的ClassLoader已经被回收；
(3)对类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用,无法再任何地方通过反射访问该类的方法；
满足了上面三个条件也仅仅是“可以”进行回收了,还要根据HotSpot的一些配置参数综合考虑。

什么时候回收？
垃圾收集器在对堆进行回收前,第一件事就是要确定这些对象之中哪些还"存活"着,哪些已经"死去",对于这些已经"死去"的对象我们需要进行回收。判断对象是否存活的算法：
(1)引用计数算法
算法过程如下：【给堆中每个对象添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它时,计数器值就加1；当引用失效时,计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象可以被当作垃圾收集】。
引用计数算法实现简单,判定效率也很高,大部分情况下是一个不错的算法。但有一个比较重要的缺点：很难解决对象之间相互循环引用的问题。比如：假设变量objA、objB为某个类的对象实例,objA中持有一个指向objB的成员,此时objB的引用计数为1；在objB中持有一个指向objA的成员,此时objA的引用计数值也为1；此时,即使把objA、objB都置为null,此时两个对象都不能被回收,因为这两个对象虽然为null了,但是它们的引用计数值都还为1。

public class ReferenceCountGC {

    public Object instance = null;

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];

    public static void testGC() {
        ReferenceCountGC objA = new ReferenceCountGC();
        ReferenceCountGC objB = new ReferenceCountGC();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;

        objA = null;
        objB = null;

        //虚拟机并没有因为这两个对象相互引用就不回收他们
        //侧面说明虚拟机并不是通过引用计数的方式判断对象是不是存活的
        System.gc();
    }
}

(2)可达性分析算法
目前主流的虚拟机,如java默认虚拟机HotSpot就是通过可达性分析的方式来判断对象是不是存活的。算法基本思路为：【通过一系列的称为"GC Roots"的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链,当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时(或者说从GC Roots到这个对象不可达),则证明此对象是不可用的】。

图中object5,object6,object7虽然互相有关联，但是他们到GC Roots是不可达的，所以它们会被判定为可以回收的对象。
可作为GC Roots的对象包括：
1)虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象；
2)方法区中类静态static属性引用的对象；
3)方法区中常量final引用的对象；
4)本地方法栈中JNI(即一般说的Native方法)引用的对象；

需要注意的是,即使在可达性分析算法中不可达的对象,也并非是"非死不可"的,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历两次标记过程：
如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链,那它将会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,或者finalize()方法已经被虚拟机调用过(也就是说对象的finalize()方法只能被调用一次),虚拟机将这两种情况都视为"没有必要执行"。
如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法,那么这个对象将会放置在一个叫做F-Queue的队列中,并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行它(即去执行对象的finalize()方法,这里所谓的"执行"是值虚拟机会触发这个方法,但并不承若会等待它运行结束,主要是为了防止对象的finalize方法执行缓慢或发生死循环,导致其他对象不能被执行的,从而引起内存回收系统崩溃)。
finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会,稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记,如果对象要在finalize()中成功拯救自己——只需要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可,譬如把自己(this)赋值给某个类变量或者对象的成员变量,那在第二次标记时它将被移除出"即将回收"的集合；如果对象这时候还没有逃脱,那基本上它就真的被回收了。
因此对于不可达对象判定真正死亡的过程小结如下：(1)GC进行第一次标记并进行一次筛选(筛选那些覆盖了finalize方法并且finalize方法是第一次调用的对象)；--> (2)另一个低优先级的线程去调用那些被筛选出来的对象的finalize方法；--> (3)GC进行第二次标记,如果在前一步中那些筛选出来的对象没有在finalize拯救自己,此时,那些未被筛选到的和这些这些筛选到的但是没有拯救自己的对象都将会回收。