Java基础知识—垃圾回收机制

垃圾回收机制（Garbage Collection ,GC）是Java语言的核心技术之一。在java中，程序员不需要去关心内存动态分配和垃圾回收的问题，这一切都交给JVM（java虚拟机）来处理。那么在java中，

（1）哪些内存需要垃圾回收器回收？

（2）什么样的对象被认定为“垃圾”？

（3）这些对象被确定为垃圾后，又应该采用什么样的策略来进行回收？

（4）目前典型的垃圾收集器又有哪些？

（5）java GC的工作原理又是什么样子的？

一、哪些内存需要被垃圾回收期回收？

Java的堆是一个运行时数据区，类的实例(对象)从中分配空间。Java虚拟机(JVM)的堆中储存着正在运行的应用程序所建立的所有对象，这些对象通过new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，但是它们不需要程序代码来显式地释放。一般来说，堆的是由垃圾回收 来负责的，尽管JVM规范并不要求特殊的垃圾回收技术，甚至根本就不需要垃圾回收，但是由于内存的有限性，JVM在实现的时候都有一个由垃圾回收所管理的堆。垃圾回收是一种动态存储管理技术，它自动地释放不再被程序引用的对象，按照特定的垃圾收集算法来实现资源自动回收的功能。 

二、如何确定某个对象是“垃圾”？

在确定某个对象是垃圾前，我们首先得明白该用什么方法去判断一个对象是垃圾？

1.引用计数算法

给堆中的对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；引用失效时，计数器就减1；任何时刻计数器为0的对象就不可能再被使用了。该算法实现简单，判定效率也很高，但是这个算法很难解决对象之间的相互循环引用的问题。如父对象有一个对子对象的引用，子对象反过来引用父对象。这样，他们的引用计数永远不可能为0.

2.可达性分析算法

在主流的商用程序语言的主流实现中，都是使用这个算法来判定一个对象是否是存活的。这个算法的基本思想就是通过一系列的称为"GC Roots"的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径成为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明这个对象是不可用的。如下图所示，蓝色表示的是存活的对象，白色表示的可被回收的对象。

在java语言中，可以作为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）方法区中类的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JNI引用的对象。

三、典型的垃圾收集算法

1.标记清除算法

它是最基础的收集算法，如它的名字所说，算法分为"标记"和“清除”两个阶段：首先标记处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。执行过程如下图：

但是，该算法有两个不足之处：一个是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；另一个是空间问题，标记清除之后产生大量不连续的内存碎片，这会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够连续内存。

2.复制算法

为了解决之前算法中提到的效率问题，提出了复制算法，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，就将还存活的对象复制到另外一块上面，然后再把自己使用过的内存空间一次性清理掉。执行过程如下图：

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。但是这种算法的代价是将内存缩小到原来的一半，代价有点高。

3.标记—整理算法

复制算法在对象存活率比较高时就要进行较多的复制操作，效率会较低。所以根据老年代的特点（存活率比较高），一般不会选择这种算法。有人提出了一种“标记—清理”算法，标记过程和“标记—清除”算法一样，但是后续不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有的存活对象都向一端移动，然后直接清理掉段边界以外的内存。执行过程如下图：

4.分代收集算法

在当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”算法，这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把java堆分为新生代和老年代，然后根据不同年代的特点采用适合的算法。比如说，在新生代，每次垃圾回收时都会有大批的对象死去，只有少量存活，那就选用“复制算法”；而老年代存活率比较高，可以选择 “标记—整理”算法。

四、典型的垃圾收集器

垃圾收集算法是 内存回收的理论基础，而垃圾收集器就是内存回收的具体实现。下面介绍一下HotSpot（JDK 7)虚拟机提供的几种垃圾收集器，用户可以根据自己的需求组合出各个年代使用的收集器。

1.Serial/Serial Old

 Serial/Serial Old收集器是最基本最古老的收集器，它是一个单线程收集器，并且在它进行垃圾收集时，必须暂停所有用户线程。Serial收集器是针对新生代的收集器，采用的是Copying算法，Serial Old收集器是针对老年代的收集器，采用的是标记—整理算法。它的优点是实现简单高效，但是缺点是会给用户带来停顿。

2.ParNew
ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本，使用多个线程进行垃圾收集。

3.Parallel Scavenge
Parallel Scavenge收集器是一个新生代的多线程收集器（并行收集器），它在回收期间不需要暂停其他用户线程，其采用的是Copying算法，该收集器与前两个收集器有所不同，它主要是为了达到一个可控的吞吐量。

4.Parallel Old
       Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本（并行收集器），使用多线程和标记—整理算法。

5.CMS
      CMS（Current Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，它是一种并发收集器，采用的是标记—清除算法。

6.G1
     G1收集器是当今收集器技术发展最前沿的成果，它是一款面向服务端应用的收集器，它能充分利用多CPU、多核环境。因此它是一款并行与并发收集器，并且它能建立可预测的停顿时间模型。

五、详解Java GC的工作原理

1. 首先来看一下JVM内存结构，它是由堆、栈、本地方法栈、方法区等部分组成，结构图如下所示。

1)堆

所有通过new创建的对象的内存都在堆中分配，其大小可以通过-Xmx和-Xms来控制。堆被划分为新生代和旧生代，新生代又被进一步划分为Eden和Survivor区，最后Survivor由FromSpace和ToSpace组成，结构图如下所示：

新生代。新建的对象都是用新生代分配内存，Eden空间不足的时候，会把存活的对象转移到Survivor中，新生代大小可以由-Xmn来控制，也可以用-XX:SurvivorRatio来控制Eden和Survivor的比例旧生代。用于存放新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象

2)栈

每个线程执行每个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，存储了每个native方法调用的状态

4)方法区

存放了要加载的类信息、静态变量、final类型的常量、属性和方法信息。JVM用持久代(PermanetGeneration)来存放方法区，可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来指定最小值和最大值。介绍完了JVM内存组成结构，下面我们再来看一下JVM垃圾回收机制。

2. JVM垃圾回收机制

JVM分别对新生代和旧生代采用不同的垃圾回收机制

新生代的GC：

新生代通常存活时间较短，因此基于Copying算法来进行回收，所谓Copying算法就是扫描出存活的对象，并复制到一块新的完全未使用的空间中，对应于新生代，就是在Eden和FromSpace或ToSpace之间copy。新生代采用空闲指针的方式来控制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时，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，最后到旧生代，

用javavisualVM来查看，能明显观察到新生代满了后，会把对象转移到旧生代，然后清空继续装载，当旧生代也满了后，就会报outofmemory的异常，如下图所示：

在执行机制上JVM提供了串行GC(SerialGC)、并行回收GC(ParallelScavenge)和并行GC(ParNew)

1)串行GC

在整个扫描和复制过程采用单线程的方式来进行，适用于单CPU、新生代空间较小及对暂停时间要求不是非常高的应用上，是client级别默认的GC方式，可以通过-XX:+UseSerialGC来强制指定

2)并行回收GC

在整个扫描和复制过程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，可用-XX:+UseParallelGC来强制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4来指定线程数

3)并行GC

与旧生代的并发GC配合使用

旧生代的GC：

旧生代与新生代不同，对象存活的时间比较长，比较稳定，因此采用标记(Mark)算法来进行回收，所谓标记就是扫描出存活的对象，然后再进行回收未被标记的对象，回收后对用空出的空间要么进行合并，要么标记出来便于下次进行分配，总之就是要减少内存碎片带来的效率损耗。在执行机制上JVM提供了串行GC(SerialMSC)、并行GC(parallelMSC)和并发GC(CMS)，具体算法细节还有待进一步深入研究。

以上各种GC机制是需要组合使用的，指定方式由下表所示：

参考：JVM垃圾回收机制和内存分配     详细介绍java垃圾回收机制  《深入理解Java虚拟机》