Java内存管理

垃圾收集需要考虑的三个问题：

1、哪些内存需要回收？
2、什么时候回收？
3、如何回收？
下面是Java虚拟机运行时数据区示意图：

Java内存运行时区域的各个部分，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程生灭；栈中的栈帧随方法的进入和退出有条不紊的进栈出栈。这几个区域的内存分配和回收具备确定性，不需要过多考虑回收问题。
而Java堆和方法区（永久代），只有在程序运行期才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收是动态的，垃圾收集器需要关注的是这部分内存。其中永久代的回收条件非常苛刻，在方法区进行垃圾回收“性价比”比较低，Java虚拟机规范明确说明可以不要求虚拟机在方法区实现垃圾收集。我们讨论的垃圾收集是在Java堆的内存回收。

1、引用计数算法

给对象添加一个引用计数器，对象被引用时，计数器加1；当引用失效时，引用计数器减1；任何时刻计数器为0的对象就代表不再被使用的“死”对象，需要被回收。
引用计数算法实现简单，判定高效，C++智能指针、Objective-C的ARC机制等内存管理是使用这种算法管理内存。但是这种算法有个很大的缺点是循环引用问题，例如：objA与objB两个对象，已经不被任何其他地方使用，本应被回收；然而这两个对象相互持有，导致计数不为0，收集器无法回收它们。

循环引用问题，需要程序员时刻注意，在出现循环引用的地方，其中一个对象使用弱引用不让引用计数加1。弱引用可以解决该问题，但是需要程序员时刻注意。因此Java虚拟机没有选用引用计数算法进行内存管理。

2、可达性分析算法

主流的商业程序语言（Java、C#）都是通过可达性分析来判断对象是否存活的。这种算法的基本思想是通过一系列“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。如果一个对象到GC Roots没有任何引用链相连，则说明此对象不可用。整个可达性分析期间，整个执行系统需要”冻结”在某个时间点，避免出现分析过程中对象的引用关系还在不断变化的情况，如果不满足的话发分析结果的准确性无法得到保证，这是导致GC进行时必须停顿所有Java线程的重要原因。

Java语言中，可以作为GC Roots的对象包括下面几种：
（1）虚拟机栈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引用的对象。
即使在可达性分析算法中不可达的对象，也不是立即回收，这时候还处于“缓刑”阶段，要真正宣告对象死亡，至少要经历两次标记。
如果对象没有到GC Roots的引用链，它会被进行一次标记筛选，如果对象有覆盖finalize()方法，并且没有执行过该方法，那么这个对象会被放置到一个叫做F-Queue的队列中，并且由虚拟机自建的低优先级finalizer线程去执行它finalize()。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，GC会将F-Queue队列中的对象进行第二次标记，如果对象要在finalize()方法中拯救自己，只需要重新与引用链建立连接，如果对象这时候还没有逃脱，就真的被回收了。

/* * 演示 对象在finalize()方法中自救（不建议这么使用） */public class FinalizeEscapeGC{    public static FinalizeEscapeGC saveMyself = null;    public void isAlive() {        System.out.println("我还活在！");    }    @Override    protected void finalize() throws Throwable{        super.finalize();        System.out.println("finalize() 方法被执行，我来拯救自己!");        FinalizeEscapeGC.saveMyself = FinalizeEscapeGC.this;    }    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        FinalizeEscapeGC.saveMyself = new FinalizeEscapeGC();        //对象第一次拯救自己，拯救成功        FinalizeEscapeGC.saveMyself = null;        System.gc();        Thread.sleep(100);        System.out.println("第一次成功拯救自己");        if (FinalizeEscapeGC.saveMyself != null) {            FinalizeEscapeGC.saveMyself.isAlive();        }else {            System.out.println("FinalizeEscapeGC 对象已死");        }        //对象第二次拯救自己，拯救失败        FinalizeEscapeGC.saveMyself = null;        System.gc();        Thread.sleep(100);        System.out.println("第二次拯救自己失败");        if (FinalizeEscapeGC.saveMyself != null) {            FinalizeEscapeGC.saveMyself.isAlive();        }else {            System.out.println("FinalizeEscapeGC 对象已死");        }    }}

两段一样的代码，执行结果是第一次逃脱成功，第二次失败，因为任何一个对象的finalize()方法都只会被执行一次。finalize()自救的方法不建议使用，因为它运行代价高，不确定性大，无法保证各个对象的调用顺序。

3、垃圾回收算法

3.1 标记-清除算法

该算法分为“标记”、“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被标记的对象。
存在问题：1、效率问题，标记与清除的效率都不高（地址空间分散，需要执行多次清理操作）；2、空间问题，标记清除后存在大量不连续的内存碎片。

3.2 复制算法

将内存按容量均分为两块，每次只使用其中一块。当一块内存用完，就将还存活的对象复制到另一块，然后把使用过的内存块一次清理掉。这样每次都是半块内存回收，内存分配时就不用考虑内存碎片的问题，实现简单，运行高效，但是内存利用率不高，按1:1分配时只有50%的内存被有效使用，适用于每次整理只有少量对象存活的情况。

3.3 标记-整理算法

标记整理算法与标记清理算法类似，但后续不是直接对可回收对象清理，而是让所有存活对象向一端移动，然后清理端边界以外的内存。

3.4 分代收集算法

从内存回收的角度来看，收集器基本都采用分代收集算法。Java堆可细分为：新生代和老年代。新生代每次垃圾收集都发现大批对象死去，只有少量存活，选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成复制。老年代中因为对象存活率高，使用复制算法效率会很低，而且没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用标记清理算法或者标记整理算法进行回收。
新生代中的对象绝大部分“朝生夕死”，使用复制算法时并不需要1:1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空间（比例8:1:1）。这样划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。
每次使用Eden和其中一块Survivor。当回收内存时，将Eden和Survivor中还存活的对象一次性复制到另一个Survivor上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。当Survivor空间不足时，需要依赖老年代进行分配担保。如果另一块Survivor空间没有足够的空间存放上一次新生代存活的对象，这些对象将直接通过分配担保机制进入老年代。

4、内存分配与回收策略

新对象优先在Eden区分配，当Eden区空间不足时，将触发一次Minor GC（新生代GC）。
大对象直接进入老年代，这样做的目的是避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存复制。
长期存活的对象将进入老年代，对象在Survivor每熬过一次MinorGC，年龄+1，当年龄增加到一定程度（默认15），就会晋升到老年代中。
老年代GC（MajorGC/Full GC）,出现Full GC通常至少会伴随一次MinorGC，MajorGC的速度一般会比MinorGC慢10倍以上。

总结

Java内存回收主要关注Java堆，为了内存管理的方便，一般将Java堆分为新生代、老年代。
新生代的特点是大部分对象“朝生夕死”存活率低，适合使用复制算法。将新生代分为一个较大的Eden区和两个较小的Survivor区，分配比例一般为8:1:1，这样新生代最大可用内存为新生代容量的90%，我们没有办法保证每次回收都只有少于10%的对象存活，当Survivor区空间不够保留存活对象时，依赖其他内存（老年代）进行分配担保。长期存活的新生代对象，达到一定“年龄”后会进入老年代中。
老年代中的对象存活率高，复制算法需要进行较多的复制操作，效率将会变低，而且需要分配担保，因此复制算法不适用与老年代，而是选用标记整理算法。老年代GC速度一般比新生代慢10倍以上，但是老年代一般不会频繁回收内存。
我们进行Java编程时，尽量不要分配短命的大对象，这样会频繁触发老年代GC，严重影响运行效率。能使用普通类型，不要使用类类型，例如表示整数，尽可能使用int类型，而不是Integer类。Java堆也不是越大越好，Java堆越大，GC的频繁降低，但是单次GC的耗时大大增加，影响用户体验。