垃圾回收机制算法分析

参考文章：https://blog.csdn.net/daguairen/article/details/52248171

什么是垃圾回收机制：

　　在系统运行过程中，会产生一些无用的对象，这些对象占据着一定的内存，如果不对这些对象清理回收无用对象的内存，可能会导致内存的耗尽，所以垃圾回收机制回收的是内存。同时GC回收的是堆区和方法区的内存。 不定时去堆内存中清理不可达对象。不可达的对象并不会马上就会直接回收， 垃圾收集器在一个Java程序中的执行是自动的，不能强制执行，即使程序员能明确地判断出有一块内存已经无用了，是应该回收的，程序员也不能强制垃圾收集器回收该内存块。程序员唯一能做的就是通过调用System.gc 方法来"建议"执行垃圾收集器，但其是否可以执行，什么时候执行却都是不可知的。这也是垃圾收集器的最主要的缺点。当然相对于它给程序员带来的巨大方便性而言，这个缺点是瑕不掩瑜的。

finalize方法作用

Java技术使用finalize()方法在垃圾收集器将对象从内存中清除出去前，做必要的清理工作。这个方法是由垃圾收集器在确定这个对象没有被引用时对这个对象调用的。它是在Object类中定义的，因此所有的类都继承了它。子类覆盖finalize()方法以整理系统资源或者执行其他清理工作。finalize()方法是在垃圾收集器删除对象之前对这个对象调用的。

新生代与老年代

参考文章：https://www.cnblogs.com/ygj0930/p/6522828.html

Java 中的堆是 JVM 所管理的最大的一块内存空间，主要用于存放各种类的实例对象。

在 Java 中，堆被划分成两个不同的区域：新生代 ( Young )、老年代 ( Old )。新生代 ( Young ) 又被划分为三个区域：Eden、From Survivor、To Survivor。

这样划分的目的是为了使 JVM 能够更好的管理堆内存中的对象，包括内存的分配以及回收。

堆的内存模型大致为：

 

 

（本人使用的是 JDK1.6，以下涉及的 JVM 默认值均以该版本为准。）
默认的，新生代 ( Young ) 与老年代 ( Old ) 的比例的值为 1:2 ( 该值可以通过参数 –XX:NewRatio 来指定 )，即：新生代 ( Young ) = 1/3 的堆空间大小。老年代 ( Old ) = 2/3 的堆空间大小。其中，新生代 ( Young ) 被细分为 Eden 和 两个 Survivor 区域，这两个 Survivor 区域分别被命名为 from 和 to，以示区分。
默认的，Edem : from : to = 8 : 1 : 1 ( 可以通过参数 –XX:SurvivorRatio 来设定 )，即： Eden = 8/10 的新生代空间大小，from = to = 1/10 的新生代空间大小。

新生代：存放生出生不久的对象，存放不是经常使用的对象。

老年代：存放比较活跃的对象，经常使用的对象

新生代分为den区、s0区、s1区，s0和s1也被称为from和to区域，他们是两块大小相等并且可以互相角色的空间。绝大多数情况下，对象首先分配在eden区，在新生代回收后，如果对象还存活，则进入s0或s1区，之后每经过一次新生代回收，如果对象存活则它的年龄就加1，对象达到一定的年龄后，则进入老年代。

如何判断对象是否存活

1、引用计数算法(java中不是使用此方法，存在循环依赖问题)

　　引用计数法就是如果一个对象没有被任何引用指向，则可视之为垃圾。这种方法的缺点就是不能检测到环的存在。

　　什么是引用计数算法：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值加１；当引用失效时，计数器值减１.任何时刻计数器值为０的对象就是不可能再被使用的。算法简单，但是最大问题就是在循环引用的时候不能够正确把对象当成垃圾。

2、根搜索方法（这是后面垃圾搜集算法的基础）：这是JVM一般使用的算法，设立若干了根对象，当上述若干个跟对象对某一个对象都不可达的时候，这个对象就是无用的对象。对象所占的内存可以回收。

　　Java对象是否存活的判断算法——根搜索算法。这个算法的思路其实很简单，它把内存中的每一个对象都看作一个节点，并且定义了一些对象作为根节点“GC Roots”。如果一个对象中有另一个对象的引用，那么就认为第一个对象有一条指向第二个对象的边，如下图所示。JVM会起一个线程从所有的GC Roots开始往下遍历，当遍历完之后如果发现有一些对象不可到达，那么就认为这些对象已经没有用了，需要被回收。

这个算法的关键就在于GC Roots的定义，四种作为GC Roots的对象，

　　首先第一种是虚拟机栈中的引用的对象，我们在程序中正常创建一个对象，对象会在堆上开辟一块空间，同时会将这块空间的地址作为引用保存到虚拟机栈中，如果对象生命周期结束了，那么引用就会从虚拟机栈中出栈，因此如果在虚拟机栈中有引用，就说明这个对象还是有用的，这种情况是最常见的。

　　第二种是我们在类中定义了全局的静态的对象，也就是使用了static关键字，由于虚拟机栈是线程私有的，所以这种对象的引用会保存在共有的方法区中，显然将方法区中的静态引用作为GC Roots是必须的。

　　第三种便是常量引用，就是使用了static final关键字，由于这种引用初始化之后不会修改，所以方法区常量池里的引用的对象也应该作为GC Roots。

　　最后一种是在使用JNI技术时，有时候单纯的Java代码并不能满足我们的需求，我们可能需要在Java中调用C或C++的代码，因此会使用native方法，JVM内存中专门有一块本地方法栈，用来保存这些对象的引用，所以本地方法栈中引用的对象也会被作为GC Roots。  

垃圾搜集的算法

　　分别是标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法。

      标记-消除算法：当堆中的有效内存被耗尽的时候，就会停止整个系统，就会调用标记-消除算法，主要做两件事，1就是标记，2就是清除。然后让程序恢复。

　  标记：遍历所有GCroots把可达的对象标记为存活的对象。 清除：把未标记为存活的对象清楚掉。

缺点：1.就是效率相对比较低。会导致stop-the-world时间过长。

　　 2：因为无用的对象内存不是连续的因此清理后的内存也不是连续的，(会产生内存碎片)因此JVM还要维持一个空闲列表，增加一笔开销，同时在以后内存使用时候，去查找可用的内存这个效率也是很低的。

复制算法

 如果jvm使用了coping算法，一开始就会将可用内存分为两块，from域和to域， 每次只是使用from域，to域则空闲着。当from域内存不够了，开始执行GC操作，这个时候，会把from域存活的对象拷贝到to域,然后直接把from域进行内存清理。

coping算法一般是使用在新生代中，因为新生代中的对象一般都是朝生夕死的，存活对象的数量并不多，这样使用coping算法进行拷贝时效率比较高。jvm将Heap 内存划分为新生代与老年代，又将新生代划分为Eden(伊甸园) 与2块Survivor Space(幸存者区) ,然后在Eden –>Survivor Space 以及From Survivor Space 与To Survivor Space 之间实行Copying 算法。 不过jvm在应用coping算法时，并不是把内存按照1:1来划分的，这样太浪费内存空间了。一般的jvm都是8:1。也即是说,Eden区:From区:To区域的比例是始终有90%的空间是可以用来创建对象的,而剩下的10%用来存放回收后存活的对象。

1、当Eden区满的时候,会触发第一次young gc,把还活着的对象拷贝到Survivor From区；当Eden区再次触发young gc的时候,会扫描Eden区和From区域,对两个区域进行垃圾回收,经过这次回收后还存活的对象,则直接复制到To区域,并将Eden和From区域清空。

2、当后续Eden又发生young gc的时候,会对Eden和To区域进行垃圾回收,存活的对象复制到From区域,并将Eden和To区域清空。

3、可见部分对象会在From和To区域中复制来复制去,如此交换15次(由JVM参数MaxTenuringThreshold决定,这个参数默认是15),最终如果还是存活,就存入到老年代 注意: 万一存活对象数量比较多，那么To域的内存可能不够存放，这个时候会借助老年代的空间。

优点：每次对整个半区内存回收，因此效率比上面的要高点，同时在分配内存的时候不需要考虑内存的碎片。按照顺序分配内存。简单高效。

       但是最大的问题在于此算法在对象存活率非常低的时候使用，将可用内存分为两份，每次只使用一份这样极大浪费了内存。

标记压缩算法（标志整理算法）

(老年代GC)在存活率较高的情况下，复制的算法效率相对比较低，同时还要考虑存活率可能为100%的极端情况，因此又不能把内存分为两部分的复制算法。 在上面标记-复制算法的基础之上，演变出了一个新的算法就是标记-整理算法。首先从GCroots开始标记所有可达的对象，标记为存活的对象。然后将存活的对象压缩到内存一端按照内存地址的次序依次排列，然后末端内存地址之后的所有内存都清除。

总结：将标记存活的对象按照内存地址顺序排列到内存另一端，末端内存地址之后的内存都会被清除。

优点：相比较于标记-清楚算法，该算法可以解决内存碎片问题同时还可以解决复制算法部分内存不能利用的问题。但是标记-整理算法的效率也不是很高。

分代算法

现在Java虚拟机并不是只是使用一种内存回收机制，而是分代收集的算法。就是将内存根据对象存活的周期划分为几块。一般是把堆分为新生代、和老年代。短命对象存放在新生代中，长命对象放在老年代中。 对于不同的代，采用不同的收集算法：

　　 新生代：由于存活的对象相对比较少，因此可以采用复制算法该算法效率比较快。

　　 老年代：由于存活的对象比较多哈，可以采用标记-清除算法或是标记-整理算法