Java虚拟机系列（五）---垃圾收集（GC）

Java语言最大的优势除了它的平台无关性之外，还有它的自动内存分配和垃圾收集技术，本节我先来总结一下垃圾收集相关的内容。本文将从解答以下三个问题的角度来展开：

1、哪些内存需要回收？

2、什么时候回收？

3、如何回收？

话不多说，直接开始。

一、哪些内存需要回收？

 根据之前的介绍，Java内存其实可分为两种类型：

一种是线程私有的，包括程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，这类内存在编译期就已经知道需要分配多少内存，且随线程而生，随线程而灭，所以在方法或线程结束时，内存就会跟着被回收；另一种是线程共享的，包括堆内存和方法区，这类内存只有在运行期间才知道内存分配情况，且内存分配和垃圾回收都是动态的，所以GC关注的也就是这部分内存。

二、什么时候回收？

要想回收一块内存，必须保证内存中的对象”已死“，那么如何判断对象已死呢，因此产生了一些判断对象是否已死的算法，主要有引用计数算法和可达性分析算法。

1、引用计数算法：它的原理是给每个对象添加一个引用计数器，当这个对象被引用时，计数器加1，引用失效时，计数器减1，任何时刻，只有引用计数器为0的对象才会被当成”已死对象“，从而被垃圾收集器回收。但是，大多数主流的Java虚拟机中并没有采用这种方式，因为它无法解决对象互相引用的问题。来看一个例子：

首先创建一个ReferenceCountingGC类

然后创建该类的两个实例并互相引用

 从上面的代码中可以知道，两个实例rcgc1和rcgc2分别会占用4096的堆内存，第一次GC发生的时候，它们在互相引用，所以引用计数都为1，此时理应不会被回收；第二次GC时，虽然两个对象都为空了，但是它们仍然互相引用，引用计数器也都是1，按理说也不会被回收，那么到底有没有被回收呢？我们看一下GC日志，因为有关GC日志的内容上一节已经介绍，这里就不再赘述 。下面是我打印出的GC日志：

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.121-b13) for windows-amd64 JRE (1.8.0_121-b13), built on Dec 12 2016 18:21:36 by "java_re" with MS VC++ 10.0 (VS2010)
Memory: 4k page, physical 4057600k(891872k free), swap 8113324k(4643664k free)
CommandLine flags: -XX:InitialHeapSize=20971520 -XX:MaxHeapSize=20971520 -XX:MaxNewSize=10485760 -XX:NewSize=10485760 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation -XX:+UseParallelGC 
0.200: [GC (System.gc()) [PSYoungGen: 5243K->680K(9216K)] 5243K->4784K(19456K), 0.0025843 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.202: [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 680K->0K(9216K)] [ParOldGen: 4104K->4664K(10240K)] 4784K->4664K(19456K), [Metaspace: 2590K->2590K(1056768K)], 0.0138331 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.01 secs] 
0.217: [GC (System.gc()) [PSYoungGen: 0K->0K(9216K)] 4664K->4664K(19456K), 0.0003674 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.217: [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 0K->0K(9216K)] [ParOldGen: 4664K->568K(10240K)] 4664K->568K(19456K), [Metaspace: 2590K->2590K(1056768K)], 0.0053836 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 9216K, used 82K [0x00000000ff600000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 8192K, 1% used [0x00000000ff600000,0x00000000ff614920,0x00000000ffe00000)
  from space 1024K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x0000000100000000)
  to   space 1024K, 0% used [0x00000000ffe00000,0x00000000ffe00000,0x00000000fff00000)
 ParOldGen       total 10240K, used 568K [0x00000000fec00000, 0x00000000ff600000, 0x00000000ff600000)
  object space 10240K, 5% used [0x00000000fec00000,0x00000000fec8e188,0x00000000ff600000)
 Metaspace       used 2597K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 286K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

 上图是所有的GC日志，但是我们只需要看4~7行的即可，为了看的更清晰，我把它们单独提取出来，如下图所示：

 

因为System.gc()发生时会"Stop The World"，所以只需要看Full GC所在的行即可，又因为两个都对象实例，所以它们在堆内存区域，该区域的内存变化为：

第一次GC后：内存由4784KB变为4664KB；第二次GC后：内存由4664KB变为568KB，很明显，第二次GC后内存减少了4096KB，因为我们在每个对象中定义了一个2048KB的字节数组，所以一个对象会占用2048KB，两个就是4096KB，由此可见，第一次GC时没有被回收，第二次GC时虽然两个对象的引用计数器都为1，但还是被回收了。所以通过引用计数算法判定一个对象是否已死也不是完全合理的，于是就有了第二中算法---可达性分析算法。

2、可达性分析算法

基本思路是：通过一系列被称为“GC Root”的对象作为起始点，从起始点开始往下搜索，搜索时所经过的路径称为引用链，当一个对象到"GC Root"没有任何引用链时，则证明此对象时不可达的，所以就可以被回收。如下图所示：

 

上图中，Object5、Object6、Object7虽然互相引用，但是它们没有到GC Root的引用链，即不可达，所以可以被回收。

在JAVA中，可以作为GC Root的对象有下面四种：

1）虚拟机栈（栈帧中的常量表）中引用的对象；

2）方法区中类静态属性引用的对象；

3）方法去中常来那个引用的对象；

4）本地方法栈中JNI引用的对象；

在可达性算法分析中，即使一个对象没有到GC Root的引用链，也不意味着它们就真的已死，它们只是暂时处于【缓刑】阶段，要宣告一个对象的真正死亡，至少需要两次标记过程。如果一个对象没有到GC Root的引用链，将会进行第一次标记筛选的过程，筛选标准是有没有必要执行finalize方法，如果没有覆盖finalize方法或者已经被虚拟机执行过，则意味着没必要执行。如果有必要执行finalize方法，该对象将会被放在一个叫做【F-Queue】的队列中，稍后由虚拟机自行建立起的Finalizer线程执行，但是并不承诺必须等待它运行结束，因为有些对象执行finalize方法可能会比较慢，或者出现死循环什么的，此时如果一直等待势必会造成F-Queue队列中的其他对象处于等待状态，甚至导致整个内存回收崩溃。所以没有执行完finalize方法的对象，稍后GC会进行第二次小规模的标记，如果此时对象又与GC Root所在的对象树中任意一个对象建立关联，则意味它逃脱（自我拯救）成功，于是又被移除【即将回收】的队列，但是如果这时还是没有逃脱就只能被回收了。下面我用一个类似流程图的方式来说明一下标记的过程：

 

（用word画的，凑活看吧）

综上，当一个对象不能通过finalize方法逃脱死亡的话，就只能被回收。

三、Java中的引用

下面来插一段关于Java引用的知识点：

引用在Java中的定义是：如果引用类型的数据中存储的数值代表另一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用。这个定义有一个不足之处就是对象只有【被引用】和【不被引用】两种状态，但是有些对象我们希望当内存足够时能继续保留在内存够中，不够时将被回收，比如缓存。所以在JDK1.2之后堆引用的概念就进行了如下扩展，引用被分为强引用、软引用、弱引用和幽灵引用。

1）强引用（Strong Reference）

类似Object obg = new Objecct（）；这类的引用，只要强引用还存在，GC就永远不会回收被引用的对象；

2）软引用（Soft Reference）

比强引用弱一些，用来描述那些还有用但不是必须的对象。对于软引用关联着的对象，会在系统将要发生内存溢出之前放入回收范围进行二次回收，如果此时还没有足够内存将会发生内存溢出；

3）弱引用（Weak Reference）

同样用来描述那些还有用但非必须的对象，这类对象只能存活到下次GC之前，当GC工作时无论内存是否足够，都会被回收；

4）幽灵引用（Phantom Reference）

该引用没什么意义，也不会印象GC收集器对对象的回收，设置它的目的就是当对象被回收后系统会受到一个通知，跟它的名字幽灵很像有没有。

四、如何回收？

下面来解答第三个问题，如何回收？垃圾回收有下面四种算法，这里只介绍算法的思路。

1、标记-清理算法

所谓标记-清理算法，顾名思义就标出需要回收的对象，发生GC时回收标记出的对象。如下图所示：

 

哎！用word粗制滥造的图实在是不能更丑，这篇完了就整一下我的电脑，用visio来画图了。

该算法的缺点是：

1）效率低下：标记和回收都低下，因为需要一个一个去标记和回收；

2）会产生大量碎片，不利于为大对象分配空间；

2、复制算法

该算法的思路是：将可用的内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块，当这一块使用完时，将其中存活的对象复制到另一块中，然后一次性清理剩下的内存。它的优点是无需考虑碎片情况，缺点是内存利用率低，毕竟只用了总空间的一半。当然，聪明的程序员朋友们想出了一个更加优化的算法，就是不按1:1的比例进行划分，而是将内存分为一个Eden区和两个大小相同的Survivor区，因为新生代对象中的98%都是朝生夕灭，所以存活率不到10%，因此可以将Eden区和Survivor区的比例划分为8:1，每次使用Eden区和其中的一块Survivor区，当使用的内存区用完之后将存活下来的对象复制到另一个Survivor中，然后一次性清除另两个区中的空间。但是这也有一个问题啊，谁能保证每次存活的对象都不会超过10%，毕竟小概率事件也有发生的可能性。如果某次超过了10%，就需要将它所依赖的内存够进行分配担保，这个后面的文章中会介绍，现在简单说一下，所谓担保，就是当Survivor对象不够用时，用另外一块额外的内存（相当于担保人）来存放存活的对象。

下面是复制算法的示例图

1）优化前：

 

2）优化后：

注意：当存活率较高时需要进行多册复制操作

3、标记-清理算法

思路：标记可回收的对象之后不立即删除，而是将所有存活的对象都移向内存的一端，然后直接清除边界以外的所有内存，很明显，该算法的有点是：

1）空间利用率高，几乎是100%利用内存

2）清除速度快，只要知道了边界即可。

回收过程如下图所示：

4、分代手机算法

此算法没有特别之处，它只是将内存分为新生代和老年代，根据各年代内存的特点从前三种算法中选取最合适的，如针对存活率低死亡率高的新生代使用复制算法，而对于存活率高的老年代采用标记-清理或标记-整理算法。

好了，以上就是对垃圾收集器收集的对象、收集对象的时刻以及如何收集的全部内容，内容有点多，不足之处欢迎指正，毕竟现在已经是凌晨了，脑袋有点不清楚了~~~~