Java 的垃圾回收机制

GC(Garbage Collection),简单来说，当一个对象的引用（references）不再存在时，被这些对象占用的内存会被自动回收。

Java的内存管理实际上就是对象的管理，其中包括对象的分配与释放（内存分配和内存回收）。当创建对象时，GC就开始监控这个对象的地址、大小及使用情况。通常GC采用有向图的方式记录和管理堆（heap）中的所有对象,当确定一些对象为“不可达”时，GC就有责任回收这些内存空间。

垃圾回收主要做两件事 1）内存回收 2）碎片整理

Java中，GC 的对象主要是堆空间和永久区。GC需要判断对象是否可以收集。通用的垃圾回收器中最常见的为引用计数和对象引用遍历：

引用计数：对于对象A,如果任何一个对象引用了A,则A的引用计数+1，当引用失效时，引用计数器就减1，只要对象A的引用计数器的值为0，则对象A就不可能再被使用，就可以回收了-优点：引用计数收集器可以很快的执行，交织在程序运行中。对程序不被长时间打断的实时环境比较有利。-缺点：循环引用问题，每次引用和去引用都要加减对象引用遍历：从一组对象开始，沿着整个对象图上的每条链接，递归确定可到达的对象，如果某对象不能从这些根对象的一个（至少一个）到达，则将它作为垃圾收集

但 Java并未使用过引用计数法，现代Java的垃圾回收使用基本算法思想是标记-清除算法

标记清除算法是现代垃圾回收算法的思想基础，将垃圾回收分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。实现：在标记阶段，首先通过根节点，标记所有从根节点开始的可达对象（从GC ROOT 开始标记引用链--又叫可达性算法）。未被标记的对象及时未被引用的垃圾对象。然后，在清除阶段，清除所有未被标记的对象，这样就不怕循环问题。

ps:Java中可以作为GC ROOT 的对象有：

1.静态变量引用的对象
2. 常量引用的对象
3.本地方法栈（JNI）引用的对象
4.Java栈中引用的对象

现在Java虚拟机都是使用的分代回收的设计，分代主要分为新生代和老年代（本文后面会有相关介绍）

新生代：复制（Copying）算法，和标记清除算法相比，复制算法是一种相对高效的回收方法，但是不适用与存活对象较多的场合。

 原理：将原有的内存空间分为两块，两块空间完全相同，每次只用一块，在垃圾回收时，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中的所有对象，交换两个内存的角色，完成垃圾回收，同样没有内存碎片的产生。 对应到新生代，即是在Eden 和FromSpace或ToSpace 之间copy(名词下文有解释)，新生代采用空闲指针的方式控制GC触发，指针保持最后一个分配的对象在新生代区间的位置，当有新的对象要分配内存。用于检查空间是否足够，不够就触发GC,当连续分配对象时，对象会逐渐从Eden到survivor ,最后到老年代 缺点：内存的浪费，故不能用于存活对象较多的场合。

对于识别可回收的对象，此处有一个可触及性的定义：

可触及的：从GC ROOT 这个根节点对象，沿着引用的链条，可以触及到的对象，即为可触及的
可复活的：一旦所有引用被释放，及时可复活状态，因为在finalize()中可能复活该对象（finalize方法只会调用一次）、
不可触及的：在finalize()之后，可能会进入不可触及状态，不可触及对象不可能复活，就可以回收了

在执行机制上JVM提供了串行GC(Serial Copying)、并行回收GC(Parallel Scavenge)和并行GC(ParNew)

1.串行GC在整个扫描和复制过程中采用单线程的方式进行，适用于单CPU、新生代空间较小及都对暂停时间要求不是非常高的应用上。最大问题是停顿时间很长，因为只使用一个线程去回收，可能产生较长的停顿现象。2.并行回收GC在整个扫描和复制过程中采用多线程的方式来进行，适用于多cpu、对暂停时间要求较短的应用上，是server级别默认采用的GC方式。相比于并行GC更关注JVM的吞吐量，可以使新生代和年老代都并行收集。3.并行GC与老年代的并发GC配合使用。设置后新生代就是并行回收，而年老代依然是串行回收，也就是并行回收不会影响年老代

新生代的多线程回收不一定快。需要看多核、单核，还有具体环境

年老代：标记-压缩算法，适用于存活对象较多的场合，如年老代。

 和标记-清除算法一样，标记-压缩算法也首先需要从根节点开始，对所有可达对象做一次标记。但之后，它并不简单的清理未标记的对象，而是将所有的存活对象压缩到内存的一端。之后清理边界外所有的空间，有效解决内存碎片问题。

在执行机制上，JVM提供了串行GC(SerialMSC)、并行GC(parallelMSC) 并发GC(CMS—Concurrent Mark Sweep)

JVM 有client 和server 两种模式，这两种模式的gc默认方式不同：

 client模式，新生代选择串行GC,年老代选择串行GC server模式，新生代选择并行回收GC,年老代选择并行GC

一般应用有两种选择方式：吞吐量优先和暂停时间优先，对于吞吐量优先的采用server默认并行GC，对于暂停时间优先选用并发GC（cms）

Java 中有多种GC算法，如Parallel GC、CMS 和 G1（1.7 后）,下面会对CMS 和G1 收集器做一些简单的介绍：

   CMS (并发标记清除收集器)：所谓并发标记清除就是CMS与用户线程一起执行。主要适用场所是响应时间的重要性大于对吞吐量的要求，能够承受垃圾回收线程和应用线程共享处理器资源，并且存在较多的长生命周期的对象。

收集周期：初始标记（CMS-initial-mark）->并发标记（CMS-concurrent-mark）->重新标记（CMS-remark）->并发清除（CMS-concurrent-sweep）->并发重设状态等待下次CMS 的触发（CMS-concurrent-reset）

   其中1，3两个步骤需要暂停所有的应用程序线程。第一次暂停从root对象开始标记存活的对象，这个阶段称为初始标记；第二次暂停是在并发标记后，暂停所有的应用程序线程，重新标记并发标记阶段遗留的对象（在并发标记阶段结束后对象状态的更新导致）。第一次暂停会比较短，第二次暂停通常会比较长，并且remark这个阶段可以并行标记。   而并发标记、并发清除、并发重设阶段的所谓并发，是指一个或多个垃圾回收线程和应用程序线程并发地进行，垃圾回收线程不会暂停应用程序的执行，如果多个处理器的情况下，并发收集线程将与应用线程在不同的处理器上运行。这样会降低应用的吞吐量。remark阶段的并行，是指暂停了所有的应用程序后，启动一定数目的垃圾回收进程进行标记，此时的应用线程是暂停的。

CMS 的特点：

尽可能降低了JVM的停顿时间，但是会影响系统的整体吞吐量和性能   1.在用户线程运行过程中，分一半cpu去做GC,系统性能在GC 阶段，反应速度就下降一半   2.清理不彻底。因为在清理阶段，用户线程还在运行，会产生新的垃圾，无法清理。   3，因为和用户线程基本是一起运行的，故不能在空间快满时再清理。

G1(垃圾回收优先)：

    在G1 中，堆被划分成许多连续的区域（region）。每个区域大小相等，在1M-32M之间。JVM最多支持2000个区域，可推算G1 能支持的最大内存2000*32M = 62.5G.区域（region）的大小在JVM初始化的时候决定，也可以用--xx:G1HeapReginSize 设置。    在G1 中没有物理上的Yongoing（eden/survivor）/old Generation,他们是逻辑的，使用一些非连续的区域（region）组成

JVM内存结构由程序计数器、堆、栈、本地方法栈、方法区等部分组成：

1.程序计数器
几乎不占内存，用于取下一条执行的指令
2.栈
每个线程执行方法的时候都会在栈中申请一个栈帧，每个栈帧包括局部变量区和操作数栈，用于存放此次方法调用过程中的临时变量、参数和中间结果。
3.本地方法栈
用于支持native方法的执行，存储每个native方法调用的状态。
4.方法区
存放要加载的类信息、静态变量、final 修饰的常量、属性和方法信息。
5，堆

Java1.7及以前，分别为eden伊甸园，两个幸存代（复活代）survivor(Survivor 由FromSpace 和ToSpace 组成)。前三个也叫做年轻代（ 新生代），其次是old**年老代** 和永久代permanent。

一个Java对象被创建，先是存在于Eden ，如果存活时间超过了两个Survivor就会转移到老年代保存。而永久代保存了对象的方法、变量等元数据，如果永久代内存不足，就会发生内存泄漏异常错误OutOfMemeoryError:PerGen.
java 8 中堆内存结构做了调整，移除了永久代。就是说不会再有OutOfMemeoryError:PermGen错误，新增了元数据区。

Sun JDK 提供的HotSpot JVM 。按照新生代（yong generation）和老年代（old generation） 的划分执行不同的GC.

新生代：绝大多数最新被创建的对象会被分配到这里，由于大部分对象在创建后会很快变得不可到达，所以很多对象会被创建在新生代，然后消失，对从这个区域消失的过程称为“minor GC”老年代：对象没有变得不可达并且从新生代存活下来，会被拷贝到这里。其所占用的空间要比新生代多。也正由于其相对较大的空间，发生在老年代的GC要比新生代少的多。对象从老年代消失的过程，我们称为"major GC"full GC  full GC 是对新生代、年老代以及持久代的统一回收，由于是对整个空间的回收、因此比较慢，系统中应当尽量减少full GC 的次数。

以下的一些情况会发生full GC:

 1,年老代空间不足 2，持久代空间不足 3，CMS GC时出现了promotion failed 和 concurrent mode failure 4,统计得到新生代minorGC 时晋升年老代的平均大小小于年老代剩余空间 5，直接调用System.gc,可以DIsableExplicitGC来禁止 6.存在rmi调用时，默认会每分钟执行一次System.gc

关于finalize()方法：

三种情况：1.所有对象被Garbage Collection 时自动调用，比如运行System.gc()2.程序退出时为每个对象调用一次finalize 方法3.显式的调用finalize方法。

finalize 是Object 的protected方法，子类可以覆盖该方法以实现资源清理工作，GC在回收对象之前调用该方法（finalize 与Java中的析构函数不是对应的。C++中的析构函数调用的时机是确定的–对象离开作用域或delete掉，但Java中的finalize的调用具有不确定性）

不建议用finalize方法完成“非内存资源”的清理工作，因为Java并不保证finalize方法会被及时的执行，而且不会保证它们会被执行，而且finalize方法可能会带来性能问题。因为JVM通常在单独的低优先级线程中完成finalize的执行。finalize方法中，可将待回收的对象复制给GC Roots 可达的对象引用，从而达到对象再生的目的。finalize方法至多由GC执行一次（用户可以手动调用对象的finalze方法，但并不影响GC对finalize的行为）

建议用在以下情况：

- 清理本地对象（通过JNI创建的对象）- 作为确保某些非内存资源（Socket、文件等）释放的一个补充，在finalize 方法中显式地调用其他资源的释放方式

GC是分代的，GC的回收条件取决于对象是不是垃圾，而识别垃圾对象又取决于指向该对象的引用类型。Java中有四种引用类型：强、软、弱、虚

如果一个对象只有**弱引用**指向它，GC会立即回收该对象，这是一种急切的回收方式。相对的，如果有**软引用**指向这些对象，则只有在JVM需要内存时才回收这些对象。弱引用和软引用的特殊行为使得它们在某些情况下非常有用。例如：软引用可以很好地用来实现缓存，当JVM需要内存时，垃圾回收器就会回收这些只有被软引用指向的对象。而弱引用非常适合元数据，例如存储ClassLoader引用。如果没有类被加载，那么也就没有指向ClassLoader的引用。一旦上一次的强引用被去除，只有弱引用的ClassLoader就会被回收

强引用：常见的A a = new A();a就叫强引用，任何被强引用指向的对象都不能被GC,这些对象都是在程序中需要的。

软引用：使用Java.lang.SoftReference 类来表示，弱引用很好的用来实现缓存，当JVM需要内存时，垃圾回收器就会回收这些只有被软引用指向的对象，如下：

Counter prime = new Counter();SoftReference soft = new SoftReference(prime);prime =null;

强引用之后，代码的第二行为对象Counter 创建了一个软引用，该引用同样不能阻止垃圾回收器回收对象，但可以延迟回收。

弱引用：使用java.lang.ref.WeakReference 类来表示，若引用类型非常适合存储元数据。
例如，存储ClassLoader 引用。如果没有类被加载，那么也没有指向CLassLoader的引用。一旦上一次的强引用被去除，只有弱引用的ClassLoader 就会被回收。也就是说如果一个对象只有弱引用指向它，GC会立即回收该对象，这是一种急切的回收方式。如：

Counter counter = new Counter();WeakReference<Counter> weakCounter = new WeakReference<Counter>(counter)counter =null;

只要给强引用对象赋null,该对象就可以被垃圾回收器回收。因为该对象不再含有其他强引用，即使指向该对象的弱引用weakCounter 也无法阻止垃圾回收器对该对象的回收。相反的，如果该对象含有软引用，Counter对象不会立即被回收，除非JVM需要保存。

另一个使用虚引用的例子是WeakHashMap,它是除HashMap和TreeMap之外，Map接口的另一种实现。WeakHashMap有一个特点：map中的键值（keys）都被封装成弱引用，也就是说一但强引用被删除，WeakHashMap内部的弱引用也就无法阻止该对象被垃圾回收器回收。

虚引用：没有实际用途，是一种标志。拥有虚引用的对象可以在任何时候GC

ReferenceQueue :在创建任何弱引用、软引用和虚引用的过程中，可以通过如下代码提供引用队列ReferenceQueue

ReferenceQueue refQueue = new ReferenceQueue();DigitalCounter digit = newDigitalCounter();PhantomReference<DigitalCounter> phantom =new PhantomReference<DigitalCounter>(digit,refQueue);

引用实例被添加在引用队列中，可以在任何时候通过查询引用队列回收对象。

应该避免使用finalize方法，可以定义其他方法来释放非内存资源。建议用try -catch-finally 来代替。

如果手动调用了finalize,很容易出错，且它执行的优先级低，何时被调用不确定，不确定何时发生GC,只有当内存告急时，GC才工作。即使GC工作，finalize方法也不一定得到执行，这是由于程序中其他线程的优先级远远高于执行finalize()的线程优先级。因此当finalize还没被执行时，系统的其他资源，比如文件句柄、数据库连接池等已经消耗殆尽已经消耗殆尽。造成系统崩溃。且垃圾回收和finalize 方法的执行本身就是对系统资源的消耗，有可能造成程序的短暂停止，因此在程序中尽量避免使用finalize方法。

在GC或执行finalize中 可能会造成程序暂停，这引出：Stop-The-World 现象

这是Java中一种全局暂停的现象，全局停顿，所有的Java代码停止，类似JVM挂起状态（但是native 代码可以执行,但不能和JVM交互），一般由GC引起，其他的原因：1)Dump线程2)JVM的死锁检查3)堆的Dump

Stop_the_World 会在任何一种GC算法中发生。”Stop-the-World”意味着JVM因为要执行GC而停止了应用程序的执行。当Stop-the-World 发生时，除了GC所需要的线程之外，所以所有线程都处于等待状态，直到GC任务完成。GC优化一般情况下都是指减少Stop-the-world 发生的时间。

Stop-The-World 现象危害

长时间停止后，没有响应，一般新生代的GC停顿的GC 停顿时间很短，零点几秒。而老年代比较时间长，几秒甚至几十分钟，一般堆内存越大，GC 时间越长，也就是Stop-The-World 越久。所以JVM 的内存不是越大越好，要根据实际情况设置。

为了减轻GC 压力，我们需要注意的一些方面：

1，软件架构设计 2，代码的实现 3，堆空间的分配

其他：

增量式GC

GC在运行中可能会导致程序中断，增量式GC通过一定的回收算法，把一个长时间的中断，划分为很多个小的中断，通过这种方式减少GC对用户程序的影响。虽然增量式GC 在整体性能上不如普通GC 效率高，但是它能减少程序的最长停顿时间。

Sun JDK 提供的HotSpot JVM就能支持增量式GC,HotSpot JVM缺省GC方式为不使用增量GC,为了启动增量GC,我们必须在Java程序运行时增加 -Xincgc 的参数。HotSpot JVM增量GC 的实现是采用 Train GC 算法。算法基本思想是：将堆中的所有对象按照创建和使用情况进行分组（分层），将使用频繁的和相关性的对象放在一队，随着程序的运行，不断对组进行调整。当GC运行时，他总是先回收最老的（最近很少访问的）对象，如果整组都为可回收的对象，GC 将整组回收。这样GC运行只回收一定比例的不可达对象，保证程序的顺畅运行。

Java 内存应用的小技巧：
1）尽量使用直接量：String str =”dd”
2）使用StringBuilder 和StringBuffer 进行字符串连接等操作
3）尽早释放无用对象
4）尽量少使用静态变量
5）缓存常用的对象，可以使用开源的缓存框架实现
6）尽量不要使用finalize()方法
7）在必要的时候可以考虑使用软引用SoftReference

JVM载入原理：
通过jdk 中的java.exe,进行以下4步：
1）创建JVM装载环境和配置
2）状态JVM.dll
3）初始化JVM.dll 并挂届到JNIENV （JNI调用接口）实例
4）调用JNIENV实例装载并处理class 类

问答：
1）GC 发生的时间？
思路：不可预测，从新生代，年老代 分析，并回答触发条件（minor GC ，Eden满无法创建新对象。major GC,升到年老代对象大于年老代对象。full GC……详情参上）
2）GC 的对象？
思路：不可达的对象-》GC root 搜索不到-》根据垃圾收集算法思路（标识清除）。 详解参上
3） GC做什么
思路：分代，基本思想，不同的垃圾回收器 （并行，cms,G1等）详情参上