GC机制（垃圾回收机制）详解

一、我们为什么要去了解GC和内存分配？

在真实工作中的项目中，时不时的会发生内存溢出、内存泄露的问题，这也是不可避免的Bug，这些潜在的Bug在某些时候会影响到项目的正常运行，如果你的项目没有合理的进行业务内存分配，将会直接影响到的项目的并发处理，当垃圾收集成为系统达到更高并发量的瓶颈时，我们就需要对这些“自动化”的技术实施必要的监控和调节，而了解了GC实现机制则是我们一切监控和调节的前提。

二、Java虚拟机将会在什么地方进行垃圾回收？

jvm中，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是随线程而生随线程而灭，栈帧随着方法的进入和退出做入栈和出栈操作，实现了自动的内存清理，因此，我们的内存垃圾回收主要集中于 java 堆和方法区中，在程序运行期间，这部分内存的分配和使用都是动态的。堆是Java虚拟机进行垃圾回收的主要场所，其次要场所是方法区。堆内存分为新生代和老年代，新生代中又分为1个 Eden 区域 和 2个 Survivor 区域。

在堆中存储了Java程序运行时的所有对象信息，而垃圾回收其实就是对那些“死亡的”对象进行其所侵占的内存的释放，让后续对象再能分配到内存，从而完成程序运行的需要。从广义上讲，在堆中进行垃圾回收分为新生代（Young Generation）和老生代（Old Generation）；从细微之处来看，为了提高Java虚拟机进行垃圾回收的效率，又将新生代分成了三个独立的区域（这里的独立区域只是一个相对的概念，并不是说分成三个区域以后就不再互相联合工作了），分别为：Eden区（Eden Region）、From Survivor区（Form Survivor Region）以及To Survivor（To Survivor Region），而Eden区分配的内存较大，其他两个区较小，每次使用Eden和其中一块Survivor。

三、Java虚拟机具体实现流程

过程：Java虚拟机在进行垃圾回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象进行一次性地复制到另一块Survivor空间上，直到其两个区域中对象被回收完成，当Survivor空间不够用时，需要依赖其他老年代的内存进行分配担保。当另外一块Survivor中没有足够的空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时，这些对象将直接通过分配担保机制进入老生代，在老生代中不仅存放着这一种类型的对象，还存放着大对象（需要很多连续的内存的对象），当Java程序运行时，如果遇到大对象将会被直接存放到老生代中，长期存活的对象也会直接进入老年代。如果老生代的空间也被占满，当来自新生代的对象再次请求进入老生代时就会报OutOfMemory异常。

新生代中的垃圾回收频率高，且回收的速度也较快。就GC回收机制而言，JVM内存模型中的方法区更被人们倾向的称为永久代（Perm Generation），保存在永久代中的对象一般不会被回收。其永久代进行垃圾回收的频率就较低，速度也较慢。永久代的垃圾收集主要回收废弃常量和无用类。以String常量abc为例，当我们声明了此常量，那么它就会被放到运行时常量池中，如果在常量池中没有任何对象对abc进行引用，那么abc这个常量就算是废弃常量而被回收；判断一个类是否“无用”，则需同时满足三个条件：
（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，这里说的是可以回收而不是必然回收。

虚拟机通过一个对象年龄计数器来判定哪些对象放在新生代，哪些对象应该放在老生代。如果对象在Eden出生并经过一次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，并将该对象的年龄设为1。对象每在Survivor中熬过一次Minor GC，年龄就增加1岁，当他的年龄增加到最大值15时，就将会被晋升到老年代中。虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到MaxTenuringThreshold才能晋升到老年代，如果在Survivor空间中所有相同年龄的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，无需等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

四、什么时候触发GC

(1)程序调用System.gc时可以触发
(2)系统自身来决定GC触发的时机（根据Eden区和From Survivor区的内存大小来决定。当内存大小不足时，则会启动GC线程并停止应用线程）
GC又分为 minor GC 和 Full GC (也称为 Major GC )
Minor GC触发条件：当Eden区满时，触发Minor GC。
Full GC触发条件：
a.调用System.gc时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行
b.老年代空间不足
c.方法区空间不足
d.通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存
e.由Eden区、From Survivor区向To Survivor区复制时，对象大小大于To Survivor可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

五、Java虚拟机如何实现垃圾回收机制

（1）、引用计数算法（Reference Counting）
给对象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的对象就是不可能再被使用的，这就是引用计数算法的核心。客观来讲，引用计数算法实现简单，判定效率也很高，在大部分情况下都是一个不错的算法。但是Java虚拟机并没有采用这个算法来判断何种对象为死亡对象，因为它很难解决对象之间相互循环引用的问题。
（2）、可达性分析算法（Reachability Analysis）
这是Java虚拟机采用的判定对象是否存活的算法。通过一系列的称为“GC Roots"的对象作为起始点，从这些结点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），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：
虚拟机栈中引用的对象
方法区中类静态属性引用的对象
方法区中常量引用的对象
本地方法栈JNI引用的对象

在上图可以看到GC Roots左边的对象都有引用链相关联，所以他们不是死亡对象，而在GCRoots右边有几个零散的对象没有引用链相关联，所以他们就会被Java虚拟机判定为死亡对象而被回收。

六、何为死亡对象？

Java虚拟机在进行死亡对象判定时，会经历两个过程。如果对象在进行可达性分析后没有与GC Roots相关联的引用链，则该对象会被JVM进行第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法，如果当前对象没有覆盖该方法，或者finalize方法已经被JVM调用过都会被虚拟机判定为“没有必要执行”。如果该对象被判定为没有必要执行，那么该对象将会被放置在一个叫做F-Queue的队列当中，然后由一个虚拟机自动建立的低优先级的Finalize线程去执行，在执行过程中JVM可能不会等待该线程执行完毕，因为如果一个对象在finalize方法中执行缓慢，或者发生死循环，将很有可能导致F-Queue队列中其他对象永久处于等待状态，甚至导致整个内存回收系统崩溃。如果在finalize方法中该对象重新与引用链上的任何一个对象建立了关联，即该对象连上了任何一个对象的引用链，例如this关键字，那么该对象就会逃脱垃圾回收系统；如果该对象在finalize方法中没有与任何一个对象进行关联操作，那么该对象会被虚拟机进行第二次标记，该对象就会被垃圾回收系统回收。值得注意的是finalize方法JVM系统只会自动调用一次，如果对象面临下一次回收，它的finalize方法不会被再次执行。

七、垃圾收集算法

（1）、复制算法（Copying）
用在新生代中，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活的对象复制到另外一块上，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可。
（2）、标记-清楚算法（Mark-Sweep）
用在老生代中， 先对对象进行标记，然后清楚。标记过程就是第五部分提到的标记过程。值得注意的是，使用该算法清楚过后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

八、GC过程中的内存担保机制

当出现大量对象在Minor GC后仍然存活的情况，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。与生活中的银行贷款类似，老年代要进行这样的担保，前提是老年代本身还有容纳这些对象的剩余空间，一共有多少对象会存活下来在实际完后才能内存回收之前是无法明确知道的，所以只好取之前每一次回收晋升到老年代对象容量的平均大小值作为经验值，与老年代的剩余空间进行比较，决定是否进行Full GC来让老年代腾出更多空间。如果出现担保失败，就只好重新发起一次Full GC来进行内存的分配。

九、总结

根据GC的工作原理，我们可以通过一些技巧和方式，让GC运行更加有效率，更加符合应用程序的要求。一些关于程序设计的几点建议：
1.最基本的建议就是尽早释放无用对象的引用。大多数程序员在使用临时变量的时候，都是让引用变量在退出活动域（scope）后，自动设置为 null.我们在使用这种方式时候，必须特别注意一些复杂的对象图，例如数组，队列，树，图等，这些对象之间有相互引用关系较为复杂。对于这类对象，GC 回收它们一般效率较低。如果程序允许，尽早将不用的引用对象赋为null.这样可以加速GC的工作。

2.尽量少用finalize函数。finalize函数是Java提供给程序员一个释放对象或资源的机会。但是，它会加大GC的工作量，因此尽量少采用finalize方式回收资源。

3.如果需要使用经常使用的图片，可以使用soft应用类型。它可以尽可能将图片保存在内存中，供程序调用，而不引起OutOfMemory.

4.注意集合数据类型，包括数组，树，图，链表等数据结构，这些数据结构对GC来说，回收更为复杂。另外，注意一些全局的变量，以及一些静态变量。这些变量往往容易引起悬挂对象（dangling reference），造成内存浪费。

5.当程序有一定的等待时间，程序员可以手动执行System.gc（），通知GC运行，但是Java语言规范并不保证GC一定会执行。使用增量式GC可以缩短Java程序的暂停时间。