Java 垃圾回收機制

本文主要圍繞如下幾個問題展開：

1. 什麼是堆內存
2. 垃圾定義
3. 回收的方案
4. 分代回收垃圾機制

概述

垃圾回收機制，Java很是重要的特性之一，它讓開發者無需關注空間的建立和釋放，而是以守護進程的形式在後臺自動回收垃圾。

堆內存

堆，是在JVM啓動時建立的，屬於JVM運行時數據區的重要組成部分，主要用來維護運行時數據，如運行過程當中建立的實例對象和數據。若是動態建立的對象沒有獲得及時回收，持續堆積，最後會致使堆空間被佔滿，形成內存溢出。

Java提供的垃圾回收機制，在後臺建立一個守護進程。在內存緊張時自動執行垃圾回收，從而保證程序的正常運行。

垃圾定義

所謂「垃圾」，指全部再也不存活的對象。

垃圾判斷

常見判斷對象是否存活的兩種方法：

• 引用計數法 爲每個對象建立一個引用計數器，用來存儲該對象被引用的個數。當計數爲0時，意味着該對象再也不被使用，能夠認爲**「對象死亡」**。可是該方案存在嚴重的問題：沒法檢測「循環引用」，當兩個對象相互引用時，即便他倆不被其餘對象引用時，他倆的計數都不會爲0，所以永遠不會被回收。

實際上，Java裏沒有采用這樣的方案來斷定對象的「存活性」。

• 可達性分析 目前主流的開發語言都採用對象存活性判斷方案，基本思路是：把全部引用的對象想象成一顆樹，從樹的根節點（GC Roots）出發，持續遍歷找出全部鏈接的樹枝對象（包含葉子節點），這些對象成爲「存活對象」或「可達對象」。其他的對象被成爲「死亡對象」或「不可達對象」，亦或者「垃圾」。

參考下圖，object五、object六、object7爲不可達對象，視爲「垃圾」，會被垃圾回收器回收

GC Roots

GC Roots自己必定是可達的，從他們出發遍歷到的對象才能保證必定可達。 Java裏存在如下四種必定可達對象：

• 虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
• 方法區中靜態屬性引用的對象
• 方法區中常量引用的對象
• 本地方法棧中JNI引用的對象

垃圾回收方案

備註：下述圖中，黑色表明垃圾對象，灰色表明存活對象，綠色表明空白空間。

標記-清理

第一步，標記，利用可達性遍歷堆內存時，把存活對象和垃圾對象進行標記（以下圖所示）

第二步，清理，把標記爲垃圾對象進行清空，釋放所佔空間

總結，該方案簡單方便，但容易產生內存碎片。

標記-整理

基於標記-清理方案，在清理時將全部存活的對象集中到一塊兒，造成一個連續使用的內存空間，以下圖所示：

總結，標記-清理、標記-整理兩種方案，適合存活對象多、垃圾少的狀況，只須要清理較少的垃圾，挪動一下存活對象就能夠了。

複製

這種比較粗暴，將堆內存一分爲二成兩部分，一段時間內只容許在其中一塊內存上進行分配，當該內存塊被分配完後，則執行垃圾回收：把全部存活對象複製到另外一塊內存裏，而後直接清空當前內存。

總結，這種作法不易產生碎片，簡單粗暴；可是，它只容許一段時間內只能使用一部份內存，超過這部份內存的話就有頻繁的複製清空。這種方案適合存活對象少、垃圾多的狀況，在複製只需移動少許的存活對象。

分代回收機制

上述講到三種內存回收方案，那Java中是如何選擇利用這三種回收算法呢？

堆結構

Java 堆空間（Heap）分紅三部分，這三部分存儲三類數據：

• 新建立的對象，新生代區域，特色：存活對象少、垃圾多（複製）
• 存活了一段時間的對象，老年代區域，特色：存活對象多、垃圾少（標記-整理）
• 永久存在的對象，永久代區域，特色：永遠存活，不須要垃圾回收（Java8中已經刪除了永久代，使用了元空間Meta Space）

總結，常規的Java堆至少包括了新生代和老年代兩塊內存區域：

• 新生代：存活對象少、垃圾多
• 老年代：存活對象多、垃圾少

新生代：複製回收機制

對於新生代區域，因爲每次GC都會有大量新對象死去，存活的較少。所以採用複製回收機制，GC時只把少數存活的對象複製過去便可。

複製算法設計：

1. 內存1:1 每次只使用一半的內存，當這一半滿了後，就進行垃圾回收，把存活的對象直接複製到另外一半內存，並清空當前這一半的內存。

缺陷：至關於只有一半的內存可用，對於新生代而言，新對象會頻繁地進行建立，若是隻有一半的可用內存，會持續 不斷地進行垃圾回收工做，影響了程序的正常運行。

2. 內存9:1

最開始使用9的內存，當9快滿時執行復制回收機制，把9中存活的對象複製到1區，並清空9區。

缺陷：因爲內存空間比例相差較大，當把9區存活的對象複製到1區時，頗有可能1區放不下，此時不得不把對象移到老年區。這就意味着，可能會有一部分並不老的9區對象因爲1區放不下而被放到老年區，破壞了老年區的規則。

3. 內存8:1:1（Eden:SurviorA：SurvivorB）

工做原理：

• Eden區最大，對外提供堆內存。當Eden區快滿時，進行Minor GC，把存活對象放入Survivor A區，清空Eden區；
• Eden區被清空後，繼續對外提供堆內存
• 當Eden區被填滿時，對Eden和Survivor A同時進行Minor GC，把存活的對象複製到Survivor B，同時清空Eden、Survivor A
• Eden繼續對外提供堆內存，並重覆上一步工做
• 當某個Survivor被填滿，且仍有對象未被複制完畢時，或者某些對象在反覆Survive 15次左右時，則把這部分剩餘對象放到Old區（老年代）
• 當Old區也被填滿時，進行Major GC，對Old區進行垃圾回收

老年代：標記整理回收機制

老年代通常存放存活時間較久的對象，因此每次GC時，存活對象多，每次只要少數對象被回收。所以，根據不一樣回收機制的特色，這裏選擇標記整理回收機制，僅僅經過少許地移動對象就能清理垃圾，並且不存在內存碎片。