垃圾收集GC

一、引用计数法
给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不能再被使用的。引用计数法实现简单，判定效率也很高，但是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。如下代码中 testGC()方法：对象objA和objB都有字段instance，赋值令objA.instance = objB;及objB.instance = objA;除此之外，两个对象再无引用，实际上这两个对象已经不可能再被访问，但是因为它们互相引用着对方，导致它们的引用计数都不为0，于是引用计数器无法通知GC收集器回收它们。

package test;
public class ReferenceCountingGC {
  public Object instance =null;
  private static final int _1MB=1024*1024;
  /**
   * 这个成员属性的唯一意义就是占点内存，以便能在GC日志中看清楚是否被回收过
   */
  private byte[] bigsize=new byte[2 * _1MB];
  public static void testGC() {
    ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
    ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
    objA.instance = objB;
    objB.instance = objA;
    
    objA = null;
    objB = null;
    //objA和objB是否能被回收？
    System.gc();
  }
}

 二、可达性分析算法

通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的。
在java语言中，可作为GC Roots的对象包括下面几种：
1、虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象；
2、方法区中类静态属性引用的对象；
3、方法区中常量引用的对象；
4、本地方法栈中JNI（即一般所说的Native方法）引用的对象。

三、对象死亡的两次标记一次筛选
即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的。对象的要经历两个标记一次筛选阶段才会真正的死亡。
1、第一次标记
对象没有引用，那么对象会被第一次标记并进行一次筛选，筛选的条件是是否有必要执行finalize方法，如果该对象没有覆盖finalize方法或者finalize方法已经被虚拟机执行过，那么没必要执行
2、第二次标记，
如果有必要执行finalize方法，那么对象会被放到一个F-queue的队列中，并在稍后由一个虚拟机建立的低优先级的Finalizer线程去执行，但并保证等待执行结束，这是因为，如果一个对象finalize方法执行缓慢或者发生了死循环，就会导致队列中其他对象处于等待状态，finalize方法是对象逃脱的最后一次机会。稍后GC将对F-queue队列中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象要在finalize()中成功拯救自己，那么它就要重新与引用链上的任何一个对象建立关联。如果对象在第二次标记的时候仍然没有与引用链上的对象建立关联，那么这个对象就真的被回收了。

四、jvm回收方法区
很多人认为方法区（或者HotSpot虚拟机中的永久代）是没有垃圾收集的，Java虚拟机规范中确实说过可以不要求虚拟机在方法区实现垃圾收集，而且在方法区进行垃圾收集的“性价比”一般比较低：在堆中，尤其是在新生代中，常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收70%~95%的空间，而永久代的垃圾收集效率远低于此。
永久代的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。以常量池中字面量的回收为例，假如一个字符串“abc”已经进入了常量池中，但是当前系统没有任何一个String对象是叫做“abc”的，换句话说是没有任何String对象引用常量池中的“abc”常量，也没有其他地方引用了这个字面量，如果在这时候发生内存回收，而且必要的话，这个“abc”常量就会被系统“请”出常量池。常量池中的其他类（接口）、方法、字段的符号引用也与此类似。
类需要同时满足下面3个条件才能算是“无用的类”：
1、该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例。
2、加载该类的ClassLoader已经被回收。
3、该类对应的java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
虚拟机可以对满足上述3个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“可以”，而不是和对象一样，不使用了就必然会回收。是否对类进行回收，HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用-verbose:class及-XX:+TraceClassLoading、 -XX:+TraceClassUnLoading查看类的加载和卸载信息。
在大量使用反射、动态代理、CGLib等bytecode框架的场景，以及动态生成JSP和OSGi这类频繁自定义ClassLoader的场景都需要虚拟机具备类卸载的功能，以保证永久代不会溢出。

五、垃圾收集算法

1、标记-清除算法（Mark-Sweep）
首先标记出需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有的被标记对象。
缺点：效率问题和空间问题
标记和清理两个过程的效率不高；
标记清除后会产生大量的不连续内存碎片，内存碎片过多可能会导致程序需要分配较大对象时找不到足够大的连续内存空间而不得不提前触发另一次垃圾回收动作。
2、复制算法（Copying）
为了解决效率问题，出现了复制算法。
将内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这块内存用完了，就将还存活的对象复制到另一块内存上，然后把已使用过的内存空间一次清理掉。
优点：每次只对其中一块进行GC,不用考虑内存碎片的问题，并且实现简单，运行高效
缺点：内存缩小了一半
新生代中的对象98%是“朝生夕死”的，所以并不需要按照1:1的比例来划分内存空间，而是将内存分为一块较大的eden空间和两块较小的survivor空间，每次使用eden和其中一块survivor。当回收时，将eden和survivor中还存活的对象一次性复制到另外一块survivor空间上，最后清理掉eden和刚才用过的survivor空间。默认eden和survivor的大小比例是8：1。
3、标记-整理算法（Mark-Compact）
让所有存活对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的所有内存。
4、分代收集算法（Generational Collection）
根据对象的存活周期的不同将内存划分为几块，一般就分为新生代和老年代，根据各个年代的特点采用不同的收集算法。新生代（少量存活）用复制算法，老年代（对象存活率高）用“标记-清理”或者“标记-整理”算法。
补充：分代划分内存介绍
整个JVM内存总共划分为三代：年轻代（Young Generation）、年老代（Old Generation）、持久代（Permanent Generation）
年轻代：所有新生成的对象首先都放在年轻代内存中。年轻代的目标就是尽可能快速的回收掉那些生命周期短的对象。年轻代内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survior空间，每次使用Eden和其中的一块Survior.当回收时，将Eden和Survior中还存活的对象一次性拷贝到另外一块Survior空间上，最后清理Eden和刚才用过的Survior空间。
年老代：在年轻代经历了N次GC后，仍然存活的对象，就会被放在老年代中。因此可以认为老年代存放的都是一些生命周期较长的对象。
永久代：基本固定不变，用于存放静态文件，例如Java类和方法。永久代对GC没有显著的影响。永久代可以通过-XX:MaxPermSize=<N>进行设置。

六、JVM(HotSpot) 7种垃圾收集器的特点及使用场景
这里的收集器基于JDK1.7Update 14之后的HotSpot虚拟机

1、Serial收集器
Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器。是单线程的收集器。它在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集完成。
Serial收集器依然是虚拟机运行在Client模式下默认新生代收集器，对于运行在Client模式下的虚拟机来说是一个很好的选择。
2、ParNew收集器
ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集之外，其余行为包括Serial收集器可用的所有控制参数、收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等都与Serial 收集器完全一样。
ParNew收集器是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选新生代收集器，其中有一个与性能无关但很重要的原因是，除Serial收集器之外，目前只有ParNew它能与CMS收集器配合工作。
3、Parallel Scavenge（并行回收）收集器
Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，又是并行的多线程收集器
该收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。所谓吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量=运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间）
停顿时间越短就越适合需要与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验，而高吞吐量则可用高效率地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。
4、Serial Old 收集器
Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用标记整理算法。这个收集器的主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用。
如果在Server模式下，主要两大用途：
（1）在JDK1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用
（2）作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用
5、Parallel Old 收集器
Parallel Old 是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。这个收集器在1.6中才开始提供。
6、CMS收集器
CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务器的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求。
CMS收集器是基于“标记-清除”算法实现的。它的运作过程相对前面几种收集器来说更复杂一些，整个过程分为4个步骤：
（1）初始标记(stop the world 标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快)
（2）并发标记(进行GC Roots Tracing的过程)
（3）重新标记(stop the world 修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段稍长一些，但远比并发标记的时间短)
（4）并发清除
其中，初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”.
CMS收集器主要优点：并发收集，低停顿。
CMS三个明显的缺点：
（1）CMS收集器对CPU资源非常敏感。
（2）CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的产生。由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行着，伴随程序运行自然就还会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出现在标记过程之后，CMS无法在当次收集中处理掉它们，只好下一次GC时再清理掉。这一部分垃圾就是“浮动垃圾”。由于在垃圾收集阶段用户线程还需要运行，那也就需要预留有足够的内存空间给用户线程使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集，需要预留一部分空间提供并发收集时的程序运行使用。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure”失败，这时虚拟机将启动后备预案：临时启用Serial Old收集器来重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。     
（3）CMS是基于“标记-清除”算法实现的收集器，有大量空间碎片产生。空间碎片过多，可能会出现老年代还有很大空间剩余，但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不提前出发FullGC。为了解决这个问题，CMS收集器提供了一个-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数（默认就是开启的），用于在CMS收集器顶不住要进行FullGC时开启内存碎片合并整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片问题没有了，但停顿时间变长了。虚拟机设计者还提供了另外一个参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction,这个参数是用于设置执行多少次不压缩的Full GC后，跟着来一次带压缩的（默认值为0，标识每次进入Full GC时都进行碎片整理）
7、G1收集器
G1收集器的优势：
（1）并行与并发
（2）分代收集
（3）空间整理 （标记整理算法，复制算法）
（4）可预测的停顿（G1建立了可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒）

使用G1收集器时，Java堆的内存布局将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region）,虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。
G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型，是因为它可以有计划地避免在真个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获取的空间大小以及回收所需要的时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region（这也就是Garbage-First名称的又来）。这种使用Region划分内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽量可能高的收集效率。
如果不计算维护Remembered Set的操作，G1收集器的运作大致可划分为一下步骤：
（1）初始标记
（2）并发标记
（3）最终标记
（4）筛选回收

七、内存分配与回收策略
　　对象的内存分配往大方向上讲，就是在堆上分配，对象主要分配在新生代的Eden区上（一种分代布局方式，将新生代内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间），如果启动了本地线程分配缓冲TLAB（Thread Local Allocation Buffer），将按线程优先在TLAB上分配。少数情况下也可能会直接分配在老年代中，分配的规则并不是百分之百固定的，其细节取决于当前使用的是哪一种垃圾收集器组合，还有虚拟机中与内存相关的参数设置。
1、对象优先在Eden分配
大多数情况下，对象在新生代Eden区中分配。当Eden区没有足够的空间进行分配时，虚拟机将发起一次新生代垃圾回收（Minor GC：发生在新生代的垃圾收集动作，因为Java对象大多数都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。这里也顺带说一下老年代垃圾回收Major GC：经常会伴随至少一次Minor GC，Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上）
2、大对象直接进入老年代
所谓大对象，是指需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串和数组。大对象对虚拟机的内存分配来说就是一个坏消息，经常出现大对象容易导致内存还有不少空间时就提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间来安置他们
3、长期存活的对象将进入老年代
既然Java虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存，那么内存回收时就必须能识别哪些对象应该放在新生代，哪些对象应放在老年代。为了做到这一点，虚拟机为每个对象定义了一个对象年龄计数器。如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并且对象年龄增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认15岁），将会晋升到老年代中。
4、动态对象年龄判定
为了能更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到了最大年龄才能晋升老年代，如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到最大年龄
5、空间分配担保
在发生Minor GC之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那么Minor GC可以确保是安全的。如果不成立虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。如果允许，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次Minor GC，尽管这次Minor GC有风险；如果小于，或者不允许担保失败，那这是也要改为一次老年代垃圾回收。
解释一下“风险”是什么风险：新生代使用的是复制收集算法，但为了内存利用率，只使用其中一个Survivor空间作为轮换备份，因此当出现大量对象在Minor GC后仍然存活的情况（最极端的情况就是内存回收后新生代中对象都存活），就需要老年代进行分配担保，把Survivor无法容纳的对象直接进入老年代。