垃圾回收

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生，随线程而灭，因此在这几个区域内就不需要过多考虑回收的问题，因为方法结束或者线程结束时，内存自然就跟随者回收了。而Java堆和方法区则不一样，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾收集器所关注的就是这部分内存。

对象“存活”判定算法

Jvm怎么判断对象可以回收了？
1).对象没有引用，被判定为 “死亡”（并不是这个对象被赋值为null之后就一定被标记为可回收）
2).作用域发生未捕获异常
3).程序在作用域正常执行完毕
4).程序执行了System.exit()
5).程序发生意外终止（被杀进程等）

引用计数算法

原理：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器加1；引用失效时，计数器减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。
缺点：很难解决对象相互循环引用的问题（两个对象相互循环引用，但其实他们都已经没有用了）。

可达性分析算法

原理：通过一些列称为“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（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说，就是从GC Roots到这个对象不可达）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（即一般说的Native方法）引用的对象。

宣告对象死亡的两次标记

首先，如果发现对象从GC root出发不可达，那么就会被第一次标记并进行筛选。筛选条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被执行过了，则会被判定为“没有必要执行”。

然后，在确定对象有必要执行finalize()方法后，它将会被放入一个队列中，并由一个较低级别的线程去执行此方法。稍后GC会对此队列进行第二次标记，如果发现依旧从GC roots不可达，那么此对象基本上是要被真的回收了。

也就是说，finalize()方法是对象逃脱死亡的最后一根稻草。如果对象可以在此方法中将自己建立起与GC roots 的可达性，也就是有其他人引用了此对象，那么就可被免于清理
注意：finalize只会被执行一次！

回收方法区

很多人习惯称方法区为永久代（hotspot以永久代来实现方法区）

java虚拟机规范中提到：可以不要求虚拟机在方法区实现垃圾收集。而且在方法区的垃圾回收“性价比”一般比较低。在堆中，尤其是在年轻的，一次垃圾回收一般可以回收70-95%的空间

永久代的垃圾回收分为两部分内容：废弃常量、无用的类。回收常量与java堆的对象回收非常相似。“没有地方引用”
类回收需要满足下面三个条件

1. 该类的所有实例均已回收，也就是该java堆中不存在该类的实例对象
2. 加载该类的classLoader已被回收
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

虚拟机可以对满足以上三个条件的类进行回收。而且这里说的仅仅是可以，而不是跟对象回收一样，不使用了就必然回收。
HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用以下参数查看类的加载和卸载信息

      -XX:+TraceClassLoading :跟踪类加载的信息(诊断内存泄露很有用)
      -XX:+TraceClassUnloading :跟踪类卸载的信息(诊断内存泄露很有用)

垃圾回收算法

标记-清除算法（Mark-Sweep）

原理：
标记-清除算法（Mark-Sweep）分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。
缺点：
1.效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；
2.空间问题，标记清除后会产生大量的不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后再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。

复制算法

原理：
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，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已经使用过的内存一次清理掉。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，实现简单，运行高效。
缺点：
需要复制，效率降低、浪费空间。

现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代。IBM公司的专门研究表明，新生代中对象98%都是“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，每次使用Eden和其中一块Survivor。当回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地复制到另外一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。

标记-整理算法（Mark-Compact）

原理：
标记过程任然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是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内存。

分代收集算法（Generational Collection）

分代的垃圾回收策略，是基于这样一个事实：不同的对象的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收集方式，以便提高回收效率。

hotSpot算法实现

枚举根节点

　　可达性分析中从GC Roots节点找引用，可作为GC Roots的节点主要是全局性的引用与执行上下文中，如果要逐个检查引用，必然消耗时间。
　　另外可达性分析对执行时间的敏感还体现在GC停顿上，因为这项分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行——这里的“一致性”的意思是指整个分析期间整个系统执行系统看起来就行被冻结在某个时间点，不可以出现分析过程中对象引用关系还在不断变化的情况，该点不满足的话分析结果的准确性就无法得到保证。这点是导致GC进行时必须暂停所有Java执行线程的其中一个重要原因。
　　由于目前主流的Java虚拟机都是准确式GC，所以当执行系统停顿下来之后，并不需要一个不漏的检查执行上下文和全局的引用位置，虚拟机应当有办法得知哪些地方存放的是对象的引用。在HotSpot的实现中，是使用一组OopMap的数据结构来达到这个目的的。OopMap会在类加载完成的时候，记录对象内什么偏移量上是什么类型的数据，在JTI编译过程中，也会在特定的位置记录下栈和寄存器哪些位置是引用。这样，在GC扫描的时候就可以直接得到这些信息了。

安全点

　　在OopMap的协助下，HotSpot可以快速且准确的完成GC Roots的枚举，但可能导致引用关系变化的指令非常多，如果为每一条指令都生成OopMap，那将会需要大量的额外空间，这样GC的空间成本会变的很高。实际上，HotSpot也的确没有为每条指令生成OopMap，只是在特定的位置记录了这些信息，这些位置被称为安全点（SafePoint），即程序执行时并非在所有的地方都能停顿下来执行GC，只能在到达安全点时才能暂停。SafePoint的选定既不能太少，以致让GC等待时间太久，也不能设置的太频繁以至于增大运行时负荷。所以安全点的设置是以让程序“是否具有让程序时间执行的特征”为标准选定的。“长时间执行”最明显的特征就是指令序列的复用，例如方法调用、循环跳转、异常跳转等，所以具有这些功能的指令才会产生 SafePoint。
　　对于SafePoint，另一个问题是如何在GC发生时让所有线程都跑到安全点在停顿下来。这里有两种方案：抢先式中断和主动式中断。
　　
1. 抢先式中断不需要线程代码主动配合，当GC发生时，首先把所有线程中断，如果发现线程中断的地方不在安全点上，就恢复线程，让他跑到安全点上。现在几乎没有虚拟机实现采用抢先式中断来暂停线程来响应GC。
2. 主动式中断的思想是当GC需要中断线程的时候，不直接对线程操作，仅仅简单的设置一个标志，各个线程执行时主动去轮询这个标志，发现中断标志为真时就自己中断挂起，轮询标志的地方和安全点是重合的，另外再加上创建对象需要分配的内存的地方。

安全区域

　　使用安全点似乎已经完美解决了如何进入GC的问题，但实际情况却并不一定，安全点机制保证了程序执行时，在不太长的时间内就会进入到可进入的GC的安全点。但是程序如果不执行呢？所谓的程序不执行就是没有分配cpu时间，典型的例子就是线程处于sleep状态或者blocked状态，这时候线程无法响应 jvm中断请求，走到安全的地方中断挂起，jvm显然不太可能等待线程重新分配cpu时间，对于这种情况，我们使用安全区域来解决。
　　安全区域是指在一段代码片段之中，引用关系不会发生变化。在这个区域的任何地方开始GC都是安全的，我们可以把安全区域看做是扩展了的安全点。当线程执行到安全区域中的代码时，首先标识自己已经进入了安全区，那样当在这段时间里，JVM要发起GC时，就不用管标识自己为安全区域状态的线程了。当线程要离开安全区域时，他要检查系统是否完成了根节点枚举，如果完成了，那线程就继续执行，否则他就必须等待，直到收到可以安全离开安全区域的信号为止。

理解GC日志

2016-03-20T14:34:55.118-0800: [GC [PSYoungGen: 6123K->400K(38912K)] 6123K->400K(125952K), 0.0012070 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
2016-03-20T14:34:55.119-0800: [Full GC [PSYoungGen: 400K->0K(38912K)] [ParOldGen: 0K->282K(87040K)] 400K->282K(125952K) [PSPermGen: 2622K->2621K(21504K)], 0.0084640 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 

PSYoungGen表示新生代，这个名称由收集器决定，这里的收集器是Parallel Scavenge。老年代为ParOldGen，永久代为PSPermGen
如果收集器为ParNew收集器，新生代为ParNew，Parallel New Generation
如果收集器是Serial收集器，新生代为DefNew，Default New Generation

可以看到上面有两种GC类型：GC和Full GC，有Full表示这次GC是发生了Stop-The-World的。

新生代GC（Minor GC）：指发生在新生代的垃圾收集动作，因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度非常快。

老年代GC（Major GC/Full GC）：指发生在老年代的GC，出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC，Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。

[GC [PSYoungGen: 6123K->400K(38912K)] 6123K->400K(125952K), 0.0012070 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

上面方括号内部的6123K->400K(38912K)，表示GC前该内存区域已使用容量->GC后该内存区域已使用容量，后面圆括号里面的38912K为该内存区域的总容量。

方括号外面的6123K->400K(125952K)，表示GC前Java堆已使用容量->GC后Java堆已使用容量，后面圆括号里面的125952K为Java堆总容量。

[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]分别表示用户消耗的CPU时间，内核态消耗的CPU时间和操作从开始到结束所经过的墙钟时间（Wall Clock Time），CPU时间和墙钟时间的差别是，墙钟时间包括各种非运算的等待耗时，例如等待磁盘I/O、等待线程阻塞，而CPU时间不包括这些耗时。

新生代与老年代

在 Java 中，堆被划分成两个不同的区域：新生代 ( Young )、老年代 ( Old )。新生代 ( Young ) 又被划分为三个区域：Eden、From Survivor、To Survivor。

堆大小 = 新生代 + 老年代。其中，堆的大小可以通过参数 –Xms、-Xmx 来指定。
默认的，新生代 ( Young ) 与老年代 ( Old ) 的比例的值为 1:2 ( 该值可以通过参数 –XX:NewRatio 来指定 )，即：新生代 ( Young ) = 1/3 的堆空间大小。老年代 ( Old ) = 2/3 的堆空间大小。其中，新生代 ( Young ) 被细分为 Eden 和 两个 Survivor 区域，这两个 Survivor 区域分别被命名为 from 和 to，以示区分。

默认的，Edem : from : to = 8 : 1 : 1 ( 可以通过参数 –XX:SurvivorRatio 来设定 )，即： Eden = 8/10 的新生代空间大小，from = to = 1/10 的新生代空间大小。
JVM 每次只会使用 Eden 和其中的一块 Survivor 区域来为对象服务，所以无论什么时候，总是有一块 Survivor 区域是空闲着的。

因此，新生代实际可用的内存空间为 9/10 ( 即90% )的新生代空间。
GC 分为两种：Minor GC、Full GC ( 或称为 Major GC )。
1).Minor GC 是发生在新生代中的垃圾收集动作，所采用的是复制算法。
新生代几乎是所有 Java 对象出生的地方，即 Java 对象申请的内存以及存放都是在这个地方。Java 中的大部分对象通常不需长久存活，具有朝生夕灭的性质。
当一个对象被判定为 “死亡” 的时候，GC 就有责任来回收掉这部分对象的内存空间。新生代是 GC 收集垃圾的频繁区域，一般回收速度也比较快。

2).Major GC / Full GC 是发生在老年代的垃圾收集动作，所采用的是标记-清除算法。
现实的生活中，老年代的人通常会比新生代的人 “早死”。堆内存中的老年代(Old)不同于这个，老年代里面的对象几乎个个都是在 Survivor 区域中熬过来的，它们是不会那么容易就 “死掉” 了的。因此，*Full GC 发生的次数不会有 Minor GC 那么频繁，并且做一次 Full GC 要比进行一次 Minor GC 的时间更长。*MajorGC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。
出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC（但非绝对的，在ParallelScavenge收集器的收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程）。
另外，标记-清除算法收集垃圾的时候会产生许多的内存碎片 ( 即不连续的内存空间 )，此后需要为较大的对象分配内存空间时，若无法找到足够的连续的内存空间，就会提前触发一次 GC 的收集动作。

内存分配与回收策略

Java技术体系中所提倡的自动内存管理最终可以归结为自动化地解决了两个问题：1).给对象分配内存; 2).回收分配给对象的内存。

内存泄露是指该内存空间使用完毕之后未回收，在不涉及复杂数据结构的一般情况下，Java 的内存泄露表现为一个内存对象的生命周期超出了程序需要它的时间长度，我们有时也将其称为“对象游离”。

对象的内存分配，往大方向上讲，就是在堆上分配（但也可能经过JIT编译后被拆散为标量类型并间接地在栈上分配），对象主要分配在新生代的Eden区上，如果启动了本地线程分配缓冲，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的设置。

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Minor GC。

大对象直接进入老年代

所谓大对象就是指，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及数组（笔者例子中的byte[]数组就是典型的大对象）。大对象对虚拟机的内存分配来说就是一个坏消息（替Java虚拟机抱怨一句，比遇到一个大对象更加坏的消息就是遇到一群“朝生夕灭”的“短命大对象”，写程序的时候应当避免），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”它们。

长期存活的对象将进入老年代

虚拟机既然采用了分代收集的思想来管理内存，那内存回收时就必须能识别哪些对象应当放在新生代，哪些对象应放在老年代中。为了做到这点，虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄（Age）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，并将对象年龄设为1。对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁）时，就会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold来设置。

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，虚拟机并不总是要求对象的年龄必须达到MaxTenuringThreshold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MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

空间分配担保

在发生Minor GC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。
1).如果大于，那么Minor GC可以确保是安全的。
2).如果小于，虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担任失败。
a.如果允许，那么会继续检查老年代最大可用连续空间是否大于历次晋升老年代对象的平均大小
①.如果大于，将尝试着进行一次Minor GC，尽管这次Minor GC是有风险的
②.如果小于，进行一次Full GC.
b.如果不允许，也要改为进行一次Full GC.

前面提到过，新生代使用复制收集算法，但为了内存利用率，只使用其中一个Survivor空间来作为轮换备份，因此当出现大量对象在Minor GC后仍然存活的情况时（最极端就是内存回收后新生代中所有对象都存活），就需要老年代进行分配担保，让Survivor无法容纳的对象直接进入老年代。与生活中的贷款担保类似，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，一共有多少对象会活下来，在实际完成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。

取平均值进行比较其实仍然是一种动态概率的手段，也就是说如果某次Minor GC存活后的对象突增，远远高于平均值的话，依然会导致担保失败（Handle Promotion Failure）。如果出现了HandlePromotionFailure失败，那就只好在失败后重新发起一次Full GC。虽然担保失败时绕的圈子是最大的，但大部分情况下都还是会将HandlePromotionFailure开关打开，避免Full GC过于频繁，参见代码。