《Understanding the JVM》读书笔记之二——垃圾回收算法

垃圾收集器工作的第一步就是判断对象是否还活着，通过垃圾回收算法判断。

一、引用计数算法
　　• 在对象A中添加一个引用计数器，当有一个地方引用A时，计数器+1；当引用失效时，计数器-1，任何时刻计数器数值为0时，这个对象就不会再被使用了；
　　• 引用计数法的实现简单，判断效率高。但再主流的java虚拟机中没有使用此算法，原因是，它无法解决相互循环引用问题。

二、可达性分析算法：（不可达意味着对象死亡的可能性高）
　　• 通过一系列GC roots 对象作为起始点，从GC Roots开始向下搜索，所走过的路径称为 引用链，当一个对象到GC Root没有任何引用链时，则证明此对象是不可用的。
　　• Java中可以被看作GC Root的对象包括：
　　　　a. 虚拟机栈中引用的对象（栈帧中的局部变量表）
　　　　b. 方法区中类静态属性引用的对象
　　　　c. 方法区中常量引用的对象
　　　　d. 本地方法栈中JNI（Native）方法引用的对象。

三、生存还是死亡？（即使是不可达的对象，也不是非死不可）
　　1. 查找引用链
　　• 当对象在可达性分析后发现没有与GC Root相连的引用链，此对象会被标记（第一次），并进行一次筛选。
　　2. 第一次筛选
　　• 筛选的条件：此对象是否需要执行finalize（）方法，当此对象没有覆盖finalize（）方法或finalize（）方法已经被调用过=>没有必要执行，放入被会收集和；否则==>有必要执行；
　　3. 放入队列
　　• 如果判定有必要执行finalize，此对象会先被放到F-Queue队列中，
　　4. Finalizer线程
　　• 稍后，虚拟机会自动建立Finalizer线程，对F-Queue中的对象触发finalize（）方法，但finalize（）方法并不一定会执行完毕。（原因：如果finalize（）方法执行缓慢、或死循环将导致整个队列等待）
　　5. 第二次标记
　　• 再稍后，GC将对F-Queue中的对象进行第二次标记（逃脱死亡的最后一次机会），标记原则：如果此对象再finalize（）方法中与GC Root引用链上的任何对象建立关联==>移出”被回收对象集合“；否则==>不移出。
　　6. GC回收

四、方法区是否有必要回收
　　• 相比之下，新生代中GC回收效率较高，常规应用一次GC可以回收70~90%的空间；
　　• 永久代（方法区）回收性价比较低，主要回收：废弃常量、无用的类两种。而在jdk1.7以后，常量池已经移至堆内存，这部分也不应该计算在内。
　　• 无用的类需要满足以下三个条件：
　　　　a. 该类所有实例都被回收
　　　　b. 加载该类的ClassLoader已经被回收
　　　　c. 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方引用（没有反射创建类）

五、常见算法实现
标记-清除算法：
　　1. 对所有要回收的对象进行标记（见生存还是死亡）
　　2. 回收被标记的对象
　　3. 算法问题：
　　　　• 效率：标记和清除效率都不高
　　　　• 空间：清除后会产生大量内存碎片，在之后分配大对象时无法找到足够的连续内存而提前触发第二次GC

复制算法：
　　1. 将内存容量划分为大小相等的两块，每次只是用其中的一块，
　　2. 当一块内存使用满，将还存活着的对象复制到另一块内存，
　　3. 一次性清除已满的内存块。
　　4. 算法问题：
　　　　• 对整个区域进行回收，不需要考虑内存碎片问题，而且指针按顺序移动，效率高。
　　　　• 但代价是可用内存减少到一半
　　　　• 在对象存活率较高的情况下需要进行较多的复制操作，效率会变低
　　5. 现代商业虚拟机都采用这种算法回收新生代，但比例不是1：1，因为新生代对象有98%左右朝生夕死：
　　　　• HotSpot虚拟机将新生代内存划分为一块较大的Eden区和两个较小的Survivor区，E,S比例为8：2。
　　　　• 每次使用其中的Eden区和一个Survivor区，当GC回收时，将所有存活的对象复制到另一个Suivivor区中，这样只有10%的内存被“浪费”。
　　　　• 而当另外的Survivor区内存不够分配时，需要依赖其他内存进行担保（老年代）

标记-整理算法：
　　1. 标记过程同 标记-清除
　　2. 标记后让所有对象都向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存
　　3. 主要用于老年代的回收

分代收集算法：
　　• 当前商业虚拟机都使用分代收集：将所有对象按照生命周期，将内存划分为几块，一般划分为：新生代和老年代。
　　• 对于新生代，每次GC都会回收大量对象，使用复制算法
　　• 对于老年代，对象存活率较高，不需使用标记-清除或标记-整理算法来回收

六、HotSpot虚拟机算法实现：
1. 枚举根节点
　　• 在可达性分析中，GC Root节点主要在全局引用和执行上下文中，在大型应用中（方法区几百兆）必然耗费很多时间，另外，为了确保一致性，在可达性分析的过程中，整个系统必须停顿（stop the world），即使在CMS收集器（号称不会停顿）也必然产生停顿。
　　• 大部分Java虚拟机都是用准确式GC，虚拟机能够知道那些地方存储着对象引用（HotSpot使用OopMap数据结构来实现），防止全局扫描。
　　• 在HotSpot中，类加载时就把对象什么偏移量上对应的数据类型计算出来；在编译过程中，也会在特定位置记录下栈和寄存器中哪些位置是引用，这样GC扫描时就可以直接得知。
2. 安全点
　　• 特定位置称为安全点==>程序执行时只有在到达安全点时才能开始GC。这就需要考虑两个问题：
　　• Safepoint即不能太少也不能太多，太少会让GC等待时间过长，太多会增大运行时的负荷。
　　• 如何在GC发生时，让所有线程都停在最近的安全点上。主要有抢先式中断和主动式中断两种方式。
　　• 抢先式中断==>在GC时首先把所有线程强制中断，如果发现有没到达安全点的线程，就恢复该线程，让它“跑”到安全点上。现在几乎没有虚拟机使用
　　• 主动式中断==>当需要GC时，不主动中断线程，只设置一个标志，各个线程主动轮询这个标志，发现中断标志为真时，线程自己中断挂起。而轮询标志的地方是安全点重合+创建对象需要分配内存的地方
3. 安全区域
　　• 为了应对线程不执行的时候（没有抢占到CPU时间或线程sleep），无法响应线程中断的请求，线程也就无法暂停的问题，引入了安全区。
　　• 安全区是在一段代码片段中，引用关系不会发生变化，在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的。
　　• 在GC时不用管自己标识为SafeRegion的线程了，在线程要离开SafeRegion时，需要检查系统是否已经完成了根节点枚举，完成则继续执行，否则等待收到安全离开SafeRegion的信号为止。