Java虚拟机——垃圾回收流程与算法

如何判断对象是否不再被引用

引用计数法(Referentce Counting)

在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用，计数器值就加1，当一个引用失效时，计数器值就减1。该方法需要额外的存储空间，虽然算法简单，实现简单，但是会引起一些问题(比如无法解决对象之间循环引用的问题)，主流的Java虚拟机都没有采用这种方式。

可达性分析法(Reachability Analysis)

通过一系列称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索构成所走过的路径称为“引用链（Reference Chain）”，如果某个对象到GC Roots之间没有任何引用链连接，那么该对象就不可能再被使用。

可作为GC Roots的对象包括：

• 虚拟机栈中引用的对象
• 方法区中类 静态属性 所引用的对象
• 方法区中常量所引用的对象
• 本地方法栈中JNI所引用的对象
• Java虚拟机内部的引用
• 所有被同步锁（synchronized关键字）持有的对象
• 反应Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。

引用类型：

• 强引用：
  最“传统”的引用过定义，指在程序代码中普遍存在的 引用赋值（即类似 Object obj = new Object()）。只要强引用关系还在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。

• 软引用：
  用来描述一些还有用，但非必须的对象。 如果一个对象只具有软引用，且内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它；如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。

• 弱引用
  弱引用与软引用的区别是，如果对象只被软引用所引用，当GC时不管内存是否充足都会被回收。

• 虚引用
  虚引用是最弱的引用，它不会对对象的生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。虚引用对象在任何时候都可以被回收。

如何处理不再被引用的对象

在经过可达性分析后，那些不再被引用的对象不会立刻被回收，只有经过了两次标记之后，才会被回收。

垃圾收集算法

分代收集理论

分代收集理论建立在三个分代假说之上：

• 弱分代假说：绝大多数对象都是朝生夕灭的
• 强分代假说：熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡
• 跨带引用相对于同代引用来说只占极少数

前两个假说奠定了多款垃圾收集器的统一设计原则：收集器应该将Java堆划分出不同的区域，然后将回收对象依据其年龄（经历垃圾收集过程的次数）分配到不同的区域之中存储。

把堆分区之后，垃圾收集器才能每次只回收其中一个或一些区域

回收类型划分：

• Partial GC:指目标不是收集整个Java堆的垃圾收集，其中又包括：
  • Minor GC/Young GC：目标只是 新生代 的垃圾收集
  • Major GC/Old GC：目标只是 老年代 的垃圾收集
  • Mixed GC:收集整个新生代和部分老年代
• Full GC：收集整个Java堆和方法区

标记-清除(Mark-Sweep)算法

先标记出所有需要收集的对象，标记完成后，统一回收所有标记了的对象。也可以反过来标记存活的对象，收集所有未被标记的对象。

缺点：

• 效率不稳定：如果存在大量需要比清理的对象，就需要做大量的标记与清理工作，导致标记和清理工作的效率随堆中对象数量的增加而降低；
• 可能导致大量碎片：大量不连续的碎步片导致无法找到足够大的连续内存，从而不得不提前触发另一次GC。

标记-复制算法

简称为复制算法，为了解决标记-清除算法面临大量可回收对象时，效率低下的问题。

半区复制算法（Semispace Copying）：将可用内存按容量 平分 为两块，每次只是用其中一块，当这一块内存用完时，就将还存活着的对象复制到另一块上，然后再把这块空间全部清理掉。

优点：不会产生内存碎片，因为是顺序分配内存，且统一回收的。
缺点：将可用内存缩小为了原来的一半；若一次复制存在大量存活的对象，那么就会产生大量的内存间复制开销。

目前大量商用虚拟机都采用该算法对 新生代 进行垃圾收集。

更加优化的半区复制算法

IBM公司对新生代“朝生夕灭”的特点做了更量化的诠释：新生代中的对象，有98%熬不过第一轮收集。所以我们不必按1:1的比例来划分新生代的内存空间。

Appel式回收：

将新生代内存空间划分为一个较大的Eden空间和两个较小的Survivor空间。Appel式回收将对象存储在Eden区或者其中一块Servivor区上，另一块Servivor区空闲。当发生垃圾收集时，将存活的对象一次性复制到空闲的Servivor区，然后清理Eden区和已用的Survior区。HotSpot虚拟机默认的Eden和Survivor的到小比例是8:1。如果一次Minor GC，Survivor空间不足以容纳存活的对象，那么部分存活的对象将直接进入老年代。

标记-整理(Mark-Compact)算法

该算法用户收集 老年代 对象。其标记过程与标记-清除算法一样，但在标记之后，不是直接清除，而是将存活的对象向内存的一端移动，然后再清理掉边界以外的内存区域。

内存分配原则

• 对象优先在Eden分配

• 大对象直接进入老年代

大对象指那些需要连续的大量空间的Java对象，比如很长的字符串，或很长的数组等。

• 长期存活的对象进入老年代

虚拟机为每个对象定义了一个对象年龄计数器，存储在对象头中。对象通常在Eden区里诞生，如果经历一次Minor GC后任然存活，并且能被Survivor容纳的话，该对象就会被移入Survivor区，并且将其对象年龄设置为1，以后每经历过一次Minor GC并存活下来，年龄加1，当年龄达到一定程度（默认为15），该对象就晋升到老年代中去。

动态对象年龄：HotSpot虚拟机并不是一定要求对象的年龄达到阈值才将其存入老年代。当Survivor区里 相同年龄 对象占用的空间大于Survivor区容量的一半，年龄大于等于该年龄的对象就可以直接进入老年代。