JVM全面分析之垃圾回收的相关概念
System.gc()的理解
在默认情况下，通过System.gc()或者Runtime.getRuntime().gc()的调用，会显示的触发Full GC，同时对老年代和新生代进行回收，尝试释放被丢弃对象占用的内存。
然而System.gc()调用附带一个免责声明，无法保证对垃圾收集器的调用。即有可能不会执行垃圾回收或者延迟执行垃圾回收。
JVM实现者可以通过System.gc()调用来决定JVM的GC行为。而一般情况下，垃圾回收应该是自动进行的，无须手动触发，否则就太过于麻烦了。在一些特殊情况下，入我们正在编写一个性能基准，我们可以在运行之间调用System.gc()。
案例
public class GCTest01 {
public void localvarGC1() {
byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
System.gc();
}
public void localvarGC2() {
byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
buffer = null;
System.gc();
}
public void localvarGC3() {
{
byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
}
System.gc();
}
public void localvarGC4() {
{
byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
}
int value = 10;
System.gc();
}
public void localvarGC5() {
localvarGC1();
System.gc();
}
public static void main(String[] args) {
GCTest01 test = new GCTest01();
test.localvarGC1();
}
}
运行程序之前添加如下命令：-XX:+PrintGCDetails
当运行第一个函数时：
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 31211K->11817K(305664K)] 31211K->11825K(1005056K), 0.0129885 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 11817K->0K(305664K)] [ParOldGen: 8K->11691K(699392K)] 11825K->11691K(1005056K), [Metaspace: 3134K->3134K(1056768K)], 0.0147335 secs] [Times: user=0.02 sys=0.01, real=0.01 secs]
可见buffer没有被回收，进行Full GC时被放入老年代.
当运行第二个函数时：
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 31211K->1549K(305664K)] 31211K->1557K(1005056K), 0.0026331 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1549K->0K(305664K)] [ParOldGen: 8K->1451K(699392K)] 1557K->1451K(1005056K), [Metaspace: 3134K->3134K(1056768K)], 0.0086842 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]
发现buffer被回收了。
当运行第三个函数时
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 31211K->11821K(305664K)] 31211K->11829K(1005056K), 0.0162805 secs] [Times: user=0.01 sys=0.01, real=0.01 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 11821K->0K(305664K)] [ParOldGen: 8K->11691K(699392K)] 11829K->11691K(1005056K), [Metaspace: 3134K->3134K(1056768K)], 0.0181306 secs] [Times: user=0.02 sys=0.01, real=0.02 secs]
发现buffer没被回收，不是说代码块中的对象作用域只在代码块里面吗，出来代码块就会被回收吗？而且查看.class文件也发现局部变量数量是2，但是却只有一个现实出来，不是说会被重复利用吗？
原因是这样的：方法3中除了this变量外，只有buffer变量，如果在声明另一个变量，才会占用buffer的位置，这就是方法4，
方法4运行结果
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 31211K->1565K(305664K)] 31211K->1573K(1005056K), 0.0031814 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1565K->0K(305664K)] [ParOldGen: 8K->1451K(699392K)] 1573K->1451K(1005056K), [Metaspace: 3135K->3135K(1056768K)], 0.0085616 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs]
方法5结果：
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 31211K->11821K(305664K)] 31211K->11829K(1005056K), 0.0117181 secs] [Times: user=0.02 sys=0.01, real=0.01 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 11821K->0K(305664K)] [ParOldGen: 8K->11691K(699392K)] 11829K->11691K(1005056K), [Metaspace: 3134K->3134K(1056768K)], 0.0138071 secs] [Times: user=0.02 sys=0.01, real=0.01 secs]
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 0K->0K(305664K)] 11691K->11691K(1005056K), 0.0004702 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 0K->0K(305664K)] [ParOldGen: 11691K->1451K(699392K)] 11691K->1451K(1005056K), [Metaspace: 3134K->3134K(1056768K)], 0.0071666 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]
方法5运行了两次GC，因为第一次gc没有把局部变量消除掉。
内存溢出与内存泄漏
内存溢出
- Java虚拟机的堆内存设置不够
比如：可能存在内存泄漏问题；也很有可能就是堆的大小不合理，比如我们要处理比较可观的数据量，但是没有显示指定JVM堆大小或者指定数值偏小。我们可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。 - 代码中创建了大量的大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）
对于老板的Oracle JDK，因为永久代的大小是有限的，并且JVM对永久代垃圾回收（如：常量池回收、卸载不再需要的类型）非常不积极，所以当我们不断添加新类型的时候，永久代出现OutOfMemoryError也非常多见，尤其是在运行时存在大量动态类型生成的场合；类似intern字符串缓存占用太多空间，也会导致OOM问题。对应的异常信息，会标记出来和永久代相关：”java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space“。
随着元数据区的引入，方法区内存已经不再那么窘迫，所以相应的OOM有所改观，出现OOM，异常信息则变成了：”java.lang.OutOfmemoryError:Metaspace“。直接内存不足，也会导致OOM。
- 这里隐含一层意思是，在抛出OutOfMemoryError之前，通常垃圾收集器会被触发，尽其可能去清理出空间。
&emsp * 例如L在引用机制分析中，涉及到JVM会去尝试回收软引用指向的对象等
* 在java.nio.BIts.reserveMemory()方法中，我们能清除的看到，System.gc()会被调用，以清理空间。 - 当然，也不是在任何情况下垃圾收集器都会触发的
* 比如，我们去分配一个超大的对象，类似一个超大数组超过堆的最大值，JVM可以判断出垃圾收集并不能解决这个问题，所以直接抛出OutOfMemoryError。
内存泄漏（Memory Leak）
也称作”存储渗漏“。严格来说，只有对象不会再被程序用到了，但是GC又不能回收他们的情况，才叫内存泄漏。
但实际情况很多时候一些不太好的实践或疏忽会导致对象的声明周期变得很长甚至导致OOM，也可以叫做宽泛意义上的”内存泄漏“
Stop The World
Stop-the-world，简称STW，指的是GC事件发生过程中，会产生应用程序的停顿，停顿产生时整个应用程序线程都会暂停，没有任何响应，有点像卡死的感觉，这个停顿称为STW。
* 可达性分析算法中枚举根节点（GC Roots）会导致所有Java执行线程停顿。
* 分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行
* 一致性指整个分析期间整个执行系统看起来像被冻结在某个时间点上
* 如果出现分析过程中对象引用关系还在不断变化，则分析结果的准确性无法保证
- STW事件和采用哪款GC无关，所有的GC都有这个事件。
- 哪怕G1也不能完全避免Stop-the-world情况发生，只能说垃圾回收器越来越优秀，回收效率越来越高，尽可能地缩短了暂停时间
- STW是JVM在后台自动发起和自动完成的，在用户不可见的情况下，把用户正常的工作线程全部停掉。
垃圾回收的并行与并发
- 并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态。
如：ParNew、Parallel Scavenge、Parallel Old; - 串行（Serial）
相较于并行的概念，单线程执行。
如果内存不够，则程序暂停，启动JVM垃圾回收器进行垃圾回收。回收完，再启动程序的线程。
并发：
指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），垃圾回收线程在执行时不会停顿用户程序的运行。
* 用户程序在继续运行，而垃圾收集程序线程运行于另一个CPU上；
* 如CMS、G1
安全点与安全区域
安全点
程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC，只有在特定的位置才能停顿下来开始GC，这些位置称为”安全点（safepoint）“
safepoint的选择很重要，如果太少可能导致GC等待时间太长，如果太频繁导致运行时性能问题。大部分指令的执行时间都非常短暂，通常会根据”是否具有让程序长时间执行的特征“为标准。比如：选择一些执行时间较长的指令作为Safe Point，如方法调用、循环跳转和异常跳转等。
如何在GC发生时，检查所有线程都跑到最近的安全点停顿下来呢？
-
抢先式中断：（目前没有虚拟机采用了）
首先中断所有线程。如果还有线程不在安全点，就恢复线程，让线程跑到安全点。 -
主动式终端
设置一个终端标志，各个线程运行到safe point的时候主动轮询这个标志，如果终端标志为真，则将自己进行中断挂起。
安全区域（Safe Region）
Safe point机制保证了程序执行时，在不太长的时间就会遇到可进入GC的safepoint。但是，程序”不执行“的时候呢？例如线程处于Sleep状态或Blocked状态，这时候线程无法响应JVM的中断请求，”走“到安全点去中断挂起，JVM也不太可能等待线程被唤醒。对于这种情况，就需要安全区域（safe region）来解决。
安全区域是指在一段代码片段中，对象的引用关系不会发生变化，在这个区域中的任何位置开始GC都是安全的。我们也可以把safe region看做是被扩展了的safe point.
实际执行时：
- 当线程运行到safe region的代码时，首先标识已经进入了safe region，如果这段时间内发生GC，JVM会忽略标识为safe region状态的线程；
- 当线程即将离开safe region时，会检查JVM是否已经完成GC，如果完成了，则继续运行，否则线程必须等待直到收到可以安全离开啊safe region的信号位置。
再谈引用：强引用
概述
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强引用（StrongReference）：最传统的“引用”的定义。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
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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，才会抛出内存溢出异常。
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弱引用（WeakReference）：被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾回收之前。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。
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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。
-
强引用所指向的对象在任何时候都不会被系统回收，虚拟机宁愿抛出OOM异常，也不会回收强引用所指向的对象
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强引用也是造成Java内存泄漏的主要原因之一。
再谈引用：软引用
软引用是用来描述一些还有用，但非必须的对象。只被软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常前，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。
软引用通常用来实现内存敏感的缓存。比如：高速缓存就有用到软引用。如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同事，不会耗尽内存。
垃圾回收器在某个时刻决定回收软可达的对象的时候，会清理软引用，并可选地把引用存放到一个引用队列（Reference Queue）。
类似弱引用，只不过Java虚拟机会尽量让软引用的存活时间长一些，迫不得已才清理。
再谈引用：弱引用
在谈引用：虚引用
也称为”幽灵引用“或者”幻影引用“，是所有引用类型中最弱的一个。
一个对象是否有虚引用的存在，完全不会决定对象的声明周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它和没有引用几乎是一样的，随时都可能被垃圾回收器回收。
它不能单独使用，也无法通过虚引用来获取被引用的对象。当试图通过虚引用的get()方法取得对象时，总是null。
为一个对象设置虚引用关联的唯一目的在于跟踪垃圾回收过程。比如：能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。
虚引用和引用队列一起使用。虚引用在创建时必须提供一个引用队列作为参数。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，就会在回收对象后，将这个虚引用加入引用队列，以通知应用程序对象的回收情况。
由于虚引用可以跟踪对象的回收时间，因此，也可以将一些资源释放操作放置在虚引用中执行和记录
