Java 垃圾回收机制

一、垃圾回收之标记算法

1. 引用计数法

通过判断对象的引用数量来决定对象是否被回收
每个对象实例都有一个引用计数器，被引用则+1，完成引用则-1

优点：执行效率高，程序执行受影响小

缺点：无法检测出循环引用的情况，导致内存泄漏

应用较少

2. 可达性分析算法

通过判断对象的引用链是否可达来决定对象是否可以被回收。

将程序中所有的引用链视为一张图，从一系列的GC Root 出发，无法到达的节点则标记为可回收。如下图所示：

可以作为GC Root的对象：

虚拟机栈中引用的对象（栈帧中的局部变量表）
方法区中的常量引用的对象
方法区中的类静态属性引用的对象
本地方法栈中JNI的引用对象
活跃线程的引用对象

二、垃圾回收之回收算法

1. 标记清除算法

标记：从根集合进行扫描，对存活对象进行标记
清除：对堆内存从头到尾进行线性遍历，回收不可达对象内存

缺点：碎片化严重

2. 复制算法

将管理的内存块分为多个块区，在其中一部分块区中创建对象分配内存（我们称之为对象面）。当对象面内存用完时，将存活的对象复制到没有使用的那些块区（称之为空闲面），再将对象面的所有对象内存清除。适用于对象存活率较低的场景，比如新生代。

解决了碎片化问题
顺序分配内存，简单高效
适用于对象存活率低的场景

3. 标记整理算法

1）标记：从根集合进行扫描，对存活对象进行标记

2）整理：移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收

特点：

避免了内存的不连续性
不用设置两块内存互换
适用于存活率高的场景，例如老年代

4. 分代收集算法

分代整理算法可以看作是复制算法和标记整理算法的结合。将内存区域划分为年轻代和老年代，自然就有各自的回收方法。内存分区示意如下：

GC的分类：

Minor GC：年轻代的垃圾收集，采用复制算法。执行较为频繁，尽可能快速地回收生命周期短的对象。
Full GC/ Major GC：老年代回收，一般情况下同时也会触发Minor GC

4.1 年轻代

年轻代划分为 Eden区和两个servivor区。新创建的对象内存首选分配在Eden区，当Eden区分配不下时，可能会分配在Survivor区或直接分配在老年代。

当Eden区内存用完，需要回收时，使用复制算法，将Eden区和servivor的from区一起复制到servivor-to区（两个servivor区没有区别，哪个有对象分配就是from，空的就是to）。如此循环往复，对象每存活一次，年龄就加1。默认年龄为15岁，复制到老年代，可以通过 -XX：MaxTenuringThreshold 参数修改。

对象如何晋升到老年代：

经历一定Minor次数依然存活的对象，默认15次。
Servivor区存放不下的对象
新生成的大对象（可通过 -XX: PretenuerSizeThreshold参数配置大小，超过及分配至老年代）

常用的调优参数：

-XX：SurvivorRatio: Eden和Survivor的比值，默认8：1
-XX：NewRatio: 老年代和新生代内存比例，默认2：1
-XX：MaxTenuringThreshold：新生代进入老年代的年龄值，默认15
-XX: PretenuerSizeThreshold：多大的对象直接分配在老年代
-Xms：初始化堆内存大小
-Xmx：最大堆内存大小
-Xss：每个线程栈空间大小

4.2 老年代

老年代：存放生命周期较长的对象。回收采用标记-清除或标记-整理算法，一般也会触发Minor GC，所以我们称其为 Full GC。

Full GC比MinorGC慢，执行效率低。执行频率也低。

触发Full GC的条件：

老年代空间不足
CMS GC时出现promotion failed， concurrent mode failure
Minor GC 晋升到老年代的平均大小大于老年代的剩余空间
调用 System.gc()，通知JVM回收，但JVM不一定会执行

三、常见的垃圾回收器

1. 年轻代垃圾回收器

Serial收集器（-XX:UseSerialGC, 复制算法）

单线程收集，进行垃圾收集时，必须暂停所有工作线程
简单高效，Client模式下默认的年轻代收集器

ParNew收集器（-XX:UseParNewGC, 复制算法）

多线程收集，其余的行为特点和Serial收集器一样
单核执行效率不如Serial，在多核下执行才有优势

Parallel Scavenge收集器（-XX:UseParallelGC，复制算法）

比起关注用户线程停顿时间，更关注系统的吞吐量（这里吞吐量是指运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)）
在多核下执行有优势，Server模式下默认的年轻代收集器

2.老年代垃圾回收器

Serial Old收集器（-XX：UseSerialOldGC, 标记-整理算法）

单线程收集，进行垃圾收集时，必须暂停所有工作线程
简单高效，Client模式下默认的老年代收集器

Parallel Old收集器（-XX：UseParallelOldGC，标记-整理算法）

多线程，吞吐量优先

CMS收集器（-XX：UseConcMarkSweepGC, 标记清除算法）

CMS全称 Concurrent Mark Sweep，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，以牺牲吞吐量为代价来获得最短回收停顿时间的垃圾回收器，对于要求服务器响应速度的应用上，这种垃圾回收器非常适合。

回收流程：

初始标记：在这个阶段，需要虚拟机停顿正在执行的任务，官方的叫法STW(Stop The Word)。这个过程从垃圾回收的"根对象"开始，只扫描到能够和"根对象"直接关联的对象，并作标记。所以这个过程虽然暂停了整个JVM，但是很快就完成了。
并发标记：这个阶段紧随初始标记阶段，在初始标记的基础上继续向下追溯标记。并发标记阶段，应用程序的线程和并发标记的线程并发执行，所以用户不会感受到停顿。
并发预清理：并发预清理阶段仍然是并发的。在这个阶段，虚拟机查找在执行并发标记阶段新进入老年代的对象(可能会有一些对象从新生代晋升到老年代，或者有一些对象被分配到老年代)。通过重新扫描，减少下一个阶段"重新标记"的工作，因为下一个阶段会Stop The World。
重新标记：这个阶段会stop the world，收集器线程扫描在CMS堆中剩余的对象。扫描从"根对象"开始向下追溯，并处理对象关联。
并发清理：清理垃圾对象，收集器线程和应用程序线程并发执行
并发重置：这个阶段，重置CMS收集器的数据结构，等待下一次垃圾回收。

CMS不会整理、压缩堆空间，这样就带来一个问题：经过CMS收集的堆会产生空间碎片，CMS不对堆空间整理压缩节约了垃圾回收的停顿时间，但也带来的堆空间的浪费。为了解决堆空间浪费问题，CMS回收器不再采用简单的指针指向一块可用堆空间来为下次对象分配使用。；而是把一些未分配的空间汇总成一个列表，当JVM分配对象空间的时候，会搜索这个列表找到足够大的空间来hold住这个对象。

3. G1 收集器（-XX: UseG1GC, 复制+ 标记整理算法，独立的垃圾回收器包含新生代、老年代）

G1(Garbage-First)是一款面向服务端应用的垃圾收集器,主要针对配备多核CPU及大容量内存的机器,以极高概率满足GC停顿时间的同时,还兼具高吞吐量的性能特征。JDK 9以后的默认垃圾收集器,取代了CMS 回收器。

4. GC关系图：连线代表可以搭配使用

四、Java引用类型

1. 强引用（Strong Reference）

最普遍的引用： Object obj = new Object()
抛出OutOfMemoryError终止程序也不会回收具有强引用的对象

2. 软引用（Soft Reference）

对象处在有用但非必须的状态
只有当空间不足时，GC会回收该引用的对象的内存
可以用来实现高速缓存

使用方法：

String str = new String("abc");
SoftReference<String> softRef = new SoftReference<String>(str);

3.弱引用（Weak Reference）

非必须的对象，比软引用更弱一些
GC时会被回收
适用于偶尔被使用且不影响垃圾收集的对象