深入理解JVM、高级特性、最佳实践（3）JVM的垃圾收集器

垃圾收集器需要做的三件事情

• 哪些内存需要回收？
• 什么时候回收？
• 如何回收？

哪些内存什么时候需要回收

对象是否已经宣告死亡？在Java堆中存放着几乎所有的对象实例，垃圾收集器在回收前的第一件事就是确定堆中哪些对象还“存活”着，哪些已经“死去”。

垃圾判定算法

引用计数算法

通过给每个对象添加一个引用计数器，每引用一次，计数器加一；当引用失效，计数器减一。当对象的计数器为0时说明对象不再被使用。引用计数器会增加对象占用的内存，还需要大量额外工作才能保证正确的工作，并且难以解决对象之间相互循环引用的问题。所以JVM没有选择引用计数器算法来管理内存，而是通过可达性分析确定对象是否存活的。

可达性分析算法

算法从GC Roots开始，向下搜索引用链上的可达对象。搜索结束后那些无法从GC Roots可达的对象会至少经历一次标记过程，第一次标记会判定是否需要执行finalize方法（有覆盖或者未被虚拟机调用finalize方法才需要执行），如果需要执行finalize，对象会被放入F-Queue中等待低优先级的Finalizer线程调用执行；稍后收集器会堆F-Queue中的对象进行第二次标记。在标记之后如果对象还没有在可达调用链上，将被认定为对象已经死亡，内存可以回收。为了保证可达性分析的正确性，需要将堆中对象的引用范围扩大到其它内存区域，因为堆中的对象完全有可能被位于其它区域的内存所引用。

GC Roots 一系列引用链上的初始节点的集合，通过这些节点集合可以搜索到所有的引用链。可以作为GC Roots对象包括：参数、局部变量、临时变量；静态属性引用的对象、常量引用的对象；JNI引用的对象；基本类型对应的Class对象、常驻的异常对象（NullPointException、OutOfMemoryError等）、系统类加载器；被同步锁持有的对象。

内存如何回收

垃圾收集算法

只分析和“可达性分析”算法相关的垃圾收集算法。

分代收集理论

三条经验法则

1. 弱分代假说：绝大部分对象都是朝生夕灭的。
2. 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。
3. 跨代引用假说：跨代引用相对同代引用来说仅占极少数。
   对一个对象的一次尝试回收内存，标志着对象的年龄就增加了，随着对象经历的垃圾收集次数越多，对象就越难以消亡。因为随着年龄的增加，对象进入老年代，而垃圾收集器对老年代的内存收集频率较低，从而进入老年代的对消会存活的越久。

垃圾收集器将大部分的时间用来关注新生代的对象收集，能以较低代价回收到大量的空间；而那些难以消亡的老年代集中放在一块，JVM可以使用较低的频率来回收这个区域。这就同时兼顾了垃圾收集的时间开销和内存空间的有效利用。

收集行为

1. 新生代收集（Minor GC/Young GC）：值目标只是新生代的垃圾收集。
2. 老年代收集（Major GC/Old GC）：指目标只是老年代的垃圾收集。
3. 混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代和部分老年代。
4. 整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆和方法区。

标记-清除算法

算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记所有需要回收的对象，之后统一回收掉所有被标记的对象；也可以反过来，标记存活的对象，统一回收未被标记的对象。标记-清除算法是最基础的算法，基本都是对这个算法的优化改进。

缺陷一：执行效率不稳定，当Java堆中存在大量需要被回收的对象，就必须进行大量的标记和清除动作。
缺陷二：内存空间碎片化，标记、清除后会产生大量不连续的内存碎片。

标记-复制算法

该改进算法一定程度上解决了“标记-清除”算法的两个缺陷。算法将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一块上面，然后把使用过的一块空间一次清理掉。对于多数对象都是可回收的情况，算法需要复制的对象就较少，也不用做多余的标记工作，从而执行效率一定程度上有提升。因为每次回收垃圾时，存活对象复制到另一个内存块中，使得对象在内存上可以实现连续，不会出现内存碎片。

引出一个缺陷：将可用内存缩小为原来的一半。根据经验法则一：“大多数对象熬不过第一次垃圾收集”，可以将内存划分进一步优化，从而解决问题，但依然存在或多或少的问题需要考虑。

标记-整理算法

标记-复制算法在存活对象较多的情况下需要执行较多的复制操作，效率将从而降低。所以“标记-复制”算法被应用在新生代对象的垃圾收集上，“标记-整理”算法针对的是老年代对象的收集。

标记过程与“标记-清除”算法一致，但后续不是对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向内存空间的一端移动，然后清理掉边界以外的内存。

由于对象的移动需要较长时间的停顿用户进程，造成一定的延迟，但不移动又会产生内存碎片增加内存分配的负担，所以不同的JVM针对不同的场景使用不同的算法。关注吞吐量则使用“标记-整理”算法；关注延迟则使用“标记-清理”算法。