Java垃圾回收机制（GC原理）解析

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前言

Java相比于c/c++一个最显著的特征就是引入了垃圾回收机制，使我们不用像c/c++编写时还要注意内存管理，java中JVM替我们完成了这部分工作

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一、为什么要GC

对于系统而言，内存迟早都会被消耗完，因为不断的分配内存空间而不进行回溯，就好像不停的产生生活垃圾
但是除了释放垃圾对象，也需要对于内存空间进行碎片管理，没有GC就不能保证应用程序的正常化进行

二、什么时候GC

堆区分为老年代和新生代，新生代又分为Eden区、s0区和s1区（99%的对象能new到Eden区，1%大对象new到老年代），当对象去堆区申请空间时
（1）先去Eden区看有无足够空间，有分配，无mirror GC
（2）有分配，无去s区，有Eden区对象移到s区，无去old区
（3）有s移到old，Eden移到s，无full GC
（4）old区有同上，无OOM

三、判断对象是否存活的方法

1.引用计数法

• 原理：对每一个对象保存一个整形的引用计数器属性，用于记录对象被引用的情况。

例：一个对象A只要有任何一个对象引用了A则A的引用计数器就+1，当引用失效时，引用计数器就-1.只要对象A的引用计数器的值为0，即标识对象A不可能再被使用，可进行回收

• 优点：实现简单，垃圾对象便于识别，判断效率高

• 缺点：
  他需要单独的字段存储计数器，这样的做法增加的存储空间的开销
  每次赋值需要额外的加减法计算，增加了时间开销
  引用计数算法最大的问题是无法处理循环引用的情况，这是一个比较致命的缺陷
  

2.可达性分析法

相对于引用计数算法，他有效的解决了在引用计数算法中的循环引用问题，防止内存泄漏发生

这种类型的垃圾收集也叫作追踪性垃圾收集

概念：
（1）可达性分析算法以跟对象集合为起点，按照从上至下的方式搜索被跟对象集合所链接的对象目标是否可达
（2）使用可达性分析算法后，内存中的存货对象会被跟对象集合直接或者间接连接着，搜索所走过的路径称之为引用链
（3）如果目标对象没有任何阴影链项链，则是不可达的，意味着该对象已经死亡，可以标记为垃圾对象。
在可达性分析算法中只有能够被根对象集合直接或间接连接的对象才是存活对象。

3.可作为GCRoots的对象

• 虚拟机栈汇总的引用对象
  例：各个线程被调用的方法中使用的参数、局部变量等
• 本地方法栈内JNI引用的对象
• 方法区中类静态属性引用对象
  例：JAVA类的引用类型静态变量
• 方法区中常量引用的对象
  例：字符串常量池里面的引用
• 所有被同步所synchronize持有的对象
• java虚拟机内部引用的对象
  例：基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（NullPointerException等）
• 系统类加载器

总结：一个指针，他保存了堆里面的对象，但自己又不在堆当中，那么他就是一个Root

四、垃圾回收算法

1.标记清除法

• 背景：
  标记清除算法是一种非常基础和常见的垃圾收集算法，该算法被J.McCarthy等人在1960年提出并应用于Lisp语言

• 执行过程：
  （1）当堆空间中有效内存空间被耗尽时，就会停止这个程序（Stop the world），然后进行两项工作，标记，清除这两部分
  （2）标记：从引用根节点上开始遍历（可达性分析算法）标记所有被引用的对象。一般是在对象Header中记录为可达对象。
  （3）清除：对堆内存从头到尾进行线性遍历，如果发现某个对象在其Header中没有标记为可达对象，则将其回收

• 缺点：效率不高；在进行GC的时候需要停止整个应用程序，导致用户体验差；且会产生的大量的内存碎片

• 注意：
  在这里的清除不是去干掉具体内存中的数据，而是本身分配的是一组连续的内存编码给我们使用，清除就是在回收这些空闲地址，将他们保存在空闲地址表当中，下次有心得对象需要空间时去判断是否够用

2.复制算法

• 背景：
  为了解决标记-清除算法在垃圾收集效率方面的缺陷，M.LMinsky与1963年发表了著名论文，”使用双存储区的Lisp语言垃圾收集器“，该论文中被描述的算法被人们称之为复制算法。

• 执行过程：
  将内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收的时候，将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块，交换两个内存角色。

• 缺点：
  1.需要两倍空间
  2.GC需要维护对象的引用关系，时间开销加大
  此种方案使用与垃圾对象较少，量级不大的情况

3.标记整理法

• 背景：
  复制算法的高效是简历在存货对象少、垃圾对象多的前提下。这种情况在新生代中经常法神，但是在老年代，更常见的情况是大部分对象都是存货的。如果依然使用复制算法，由于存货对象多，复制成本也会非常高。因此基于老年代使用复制算法并不适用。

• 执行过程：
  第一阶段与标记清除算法一致。
  第二阶段将所有的存货对象压缩到内存的一段，按照顺讯排放，之后清理边界外所有空间

4.分代回收算法

• 背景：为了满足垃圾回收的效率最优性，所以分代手机算法应运而生。
  分代手机算法基于一个事实：不同的对象生命周期是不一样的，因此，不同生命周期的对象可以采取不同的手机方式，以便于提高回收效率。一般是把JAVA堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点使用不同回收算法，相对提高效率
  在系统运行过程汇总，会产生大量对象，其中有些对象是业务信息相关，如HTTP请求的Session、线程、Socket连接等对象，这类对象跟业务挂钩，因此生命周期长，还有一部分是运行过程汇总生成的临时变量，这些对象生命周期短，比如：String,这些对象甚至只使用一次即可回收

• 目前所有GC都采用分代收集算法进行执行
  对象的状态经过大量的调研研究划分为年青代与老年代两个类别
  （1）年轻代：区域相对小，对象生命周期短、存活率低，且产生应用频繁
  复制算法回收整理速度是最快的。复制算法效率只与当前存活对象大小有关，因此很实用与年青代的回收，而空间问题，因为存活率问题，所以单独开辟S0,S1两块空间处理清除后结果
  （2）老年代：区域较大，生命周期长、存活率高，回收不及年青代频繁
  这种情况存在大量存过对象下，复制不适用，所以一般是用清除与整理算法混合实现
  Mark阶段的开销与存活对象的数量成正比
  Sweep阶段的开销与所管理的大小成正比
  Compact阶段的开销与存活对象的数据成正比
  

五、垃圾回收算器

• serial：针对新生代，jdk1.3之前，单线程，复制算法，垃圾回收会stop the world（停止用户代码执行）

• serial old：针对老年代，jdk1.3之前，标记整理

• parNew，parallel Scavenge：新生代，多线程

• parallel：老年代
  

• G1：jdk1.7之后，新生代/老年代，可预测停顿（提供最优的停顿时间），空间整理（提供最大的吞吐量）
  

• CMS：jdk1.7之后，老年代 使用空闲列表回收，不对老年代进行整理
  

• 垃圾回收算器底层算法：
  

• 常用GC垃圾回收器性能对比
  

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