1、JVM 之逻辑收集器与内存分配策略

1、概述

说起垃圾收集(Garbage Collection GC),大部分人都把这项技术当做JAVA语言的伴生产物，其实GC的历史远远比JAVA久远，1960 MIT 的Lisp是第一门真正使用内存动态分配和垃圾收集技术的语言，那时候人们就是在思考GC需要完成的3件事：

1. 哪些内存需要回收？
2. 什么时候回收？
3. 如何回收？

目前内存的动态分配与内存回收技术已经相当成熟，一切看起来都进入了自动化的时代，那么未什么还要去了解GC和内存分配呢？答案很简单：当需要排查各种内存溢出、内存泄露问题时，当垃圾收集成为系统达到更高并发量的品就瓶颈时，我们就需要对这些自动化的技术实施必要的监控和调节。

内存运行时区域的各个部分，其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随着线程而生，随线程而灭；栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地的执行着出栈和入栈操作，每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的，因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性，在这几个区域内就不需要过多的考虑回收的问题，因为方法结束或者线程结束时，内存自然就跟随着回收了，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是则部分内存。

2、对象已死吗

在堆里面存放着JAVA世界中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，第一件事情就是要确定这些对象之中哪些还存活着，哪些已经死去(即不可能再被任何途径使用的对象)。

2.1 引用计数算法

给对象中添加一个引用计数器、每当一个地方引用它时，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，这是很多教科书判断对象是否存货的引用计数算法描述。

客观的说，引用计数算法(Reference Counting)的实现很简单，判断效率也很高，在大部分情况下它是一个不错的算法，也有一些著名的应用案例：微软公司的COM计数、使用ActionScript 3的FlashPalyer、Python语言和在游戏脚本领域被广泛应用的Squierrel中都使用了引用技术算法进行内存管理。但是至少主流的JAVA虚拟机里面没有选用引用技术算法来管理内存，其中最主要的原因是它很难解决对象之间的互相循环的引用的问题。

public class ReferenceCountingGC {

    public Object instance = null;

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];

    public static void testGC() {
        ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;
        objA = null;
        objB = null;
        System.gc();

    }

    public static void main(String[] args) {
        testGC();
    }
}

输出结果：

[GC [DefNew: 3787K->512K(4928K), 0.0070166 secs] 3787K->2805K(15872K), 0.0070723 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (System) [Tenured: 2293K->757K(10944K), 0.0103061 secs] 4986K->757K(15872K), [Perm : 190K->190K(12288K)], 0.0103696 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap
 def new generation   total 4992K, used 90K [0x24700000, 0x24c60000, 0x29c50000)
  eden space 4480K,   2% used [0x24700000, 0x24716b40, 0x24b60000)
  from space 512K,   0% used [0x24b60000, 0x24b60000, 0x24be0000)
  to   space 512K,   0% used [0x24be0000, 0x24be0000, 0x24c60000)
 tenured generation   total 10944K, used 757K [0x29c50000, 0x2a700000, 0x34700000)
   the space 10944K,   6% used [0x29c50000, 0x29d0d438, 0x29d0d600, 0x2a700000)
 compacting perm gen  total 12288K, used 202K [0x34700000, 0x35300000, 0x38700000)
   the space 12288K,   1% used [0x34700000, 0x34732c20, 0x34732e00, 0x35300000)
    ro space 10240K,  45% used [0x38700000, 0x38b873d8, 0x38b87400, 0x39100000)
    rw space 12288K,  54% used [0x39100000, 0x3978acc8, 0x3978ae00, 0x39d00000)

从运行结果看，GC日志中包含Full GC 2293k->757k，意味着虚拟机并没有因为这两个对象互相引用就不回收它们，这也从侧面说明了虚拟机并不是通过引用计数算法来判断对象是否存活的。

2.2 可达性分析算法

在主流的商用程序语言的主流实现中，都是称通过可达性分析(Reachability Analysis)来判定对象是否存活的，这个算法的基本你思路是通过一系列的成为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，如下图所示，对象object5、object6、object7虽然互相有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将会被判定为可回收的对象。

可达性分析算法判断对象是否可回收

在Java语言中，可作为GC Roots的对象包含下面几种：

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。

2.3 再谈引用

无论是通过引用计数算法判断对象的引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象的引用链是否可达，判断对象是否存活都与引用有关，在JDK1.2以前，Java中的引用的定义很传统：如果reference类型的数据中存储的数值代表的是另外一块内存起始地址，就称这块内存代表着一个引用，这种定义很纯粹，但是过于狭隘，一个对象在这种定义下只有被引用或者没有引用这两种状态，对于如何描述一些食之无味、弃之可惜的对象就显得无能为力了，我们希望能描述这样一类对象：当内存空间还足够时，则能保留在内存之中；如果内存空间在进行垃圾收集后还是非常紧张，则可以抛弃这些对象，很多系统的缓存功能都缓存功能都符合这样的应用场景。

在JDK1.2之后，Java对引用的概念进行扩充，将引用分为强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Refernce)、虚引用(Phantorn Reference)4种，这4种引用强度依次逐渐减弱。

1. 强饮用酒是指程序代码之中普遍存在的，类似Object object = new Object()这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。
2. 软引用是用来描述一些还有用但并非必须的对象，对于软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进行回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出的异常，在JDK1.2之后，提供softReference类来实现软引用。
3. 弱引用也是用来描述非必须对象的，但是它的强度比软引用更弱些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前，当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象，在JDK1.2之后，提供了WeakReference类来实现弱引用。
4. 虚引用也成为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系，一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其他生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例，为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。在JDK1.2之后，提供了PhantomReference类来实现虚引用。

2.4 生存还是死亡

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是非死不可，这时候它们暂时处于缓刑阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程，如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记并且进行一次刷选，刷选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法，当地UI想没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为没有必要执行。

如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法，那么这个对象将会放置在一个叫做F-Queue的队列中，并在稍后由一个虚拟机自动简历的、低优先级的Finalizer线程去执行它，这里所谓的执行是指虚拟机会触发这个方法，但并不承若会等待它运行结束，这样做的原因是，㘝一个对象在finalize()方法中执行缓慢，或者发生了死循环，将很有可能会导致F-Queue对了中其他对象永久处于等待，甚至导致整个内存回收系统崩溃，finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象要在finalize()中成功拯救自己-只要重新与引用链上的热呢一个对象建立关联即可，譬如把自己赋值给某个类变量或者对象的成员变量，那在第二次标记时，它将被移除出即将回收的集合，如果对象这时候还没有逃脱，那基本上它就是要真的被回收了。

需要特别说明的是，上面关于对象死亡时finalize()方法的描述可能带有悲情的艺术色彩，笔者并不鼓励大家使用这种方法来拯救对象。相反，笔者建议大家尽量避免使用它，因为它不是C/C++中的析构函数，而是Java刚诞生时为了使C/C++程序员更容易接受它所做出的一个妥协。它的运行代价高昂，不确定性大，无法保证各个对象的调用顺序。

2.5 回收方法区

很多人认为方法区是没有垃圾收集的，Java虚拟机规范中确实说过可以不要求虚拟机在方法区实现垃圾收集，而且在方法区中进行垃圾收集的性价比一般比较低：在堆中,尤其是在新生代中，常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收70%~95%的空间，而永久代的垃圾收集效率远低于此。

永久代的垃圾说及主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。以常量池中字面量的回收为列。比如一个字符串"abc"已经进入了常量池中，但是当前系统没有任何一个String对象是叫做"abc"的，换句话说，就是没有任何对象String对象引用常量池中的"abc"常量，也没有其他地方引用了这个字面量，如果这时发生内存回收，而且必要的话，这个"abc"常量就会被系统清理除常量池，常量池中的其他类(接口)、方法、字段的符号引起也与此类似。

判定一个常量是否是废弃常量比较简单，而要判定一个类是否是无用的类的条件则相对苛刻的对，类需要同时满足下面3个条件才能算是无用类

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，这里说的仅仅是可以，而并不是和对象一样，不使用了就必然会回收，是否对类进行回收，HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用-verbose:class以及-XX:+TraceClassLoading、-XX:+TraceClassUnLoading参查看类加载和卸载信息，其中-verbose:class和-XX:+TraceClassLoading可以在Product版的虚拟机中使用，-XX:+TraceClassUnLoading参数需要FastDebug版的虚拟机支持。

在大量使用反射、动态代理、CGLib等ByteCode框架、动态生成JSP以及OSGi这类频繁自定义ClassLoader的场景都需要虚拟机具备类卸载的功能，以保证永久代不会溢出。