JVM垃圾收集策略與算法

垃圾收集策略與算法

程序計數器、虛擬機棧、本地方法棧隨線程而生，也隨線程而滅；棧幀隨着方法的開始而入棧，隨着方法的結束而出棧。這幾個區域的內存分配和回收都具備肯定性，在這幾個區域內不須要過多考慮回收的問題，由於方法結束或者線程結束時，內存天然就跟隨着回收了。

而對於 Java 堆和方法區，咱們只有在程序運行期間才能知道會建立哪些對象，這部份內存的分配和回收都是動態的，垃圾收集器所關注的正是這部份內存。

斷定對象是否存活

若一個對象不被任何對象或變量引用，那麼它就是無效對象，須要被回收。

一 引用計數法（沒法回收循環引用的對象）

在對象頭維護着一個 counter 計數器，對象被引用一次則計數器 +1；若引用失效則計數器 -1。當計數器爲 0 時，就認爲該對象無效了。

引用計數算法的實現簡單，斷定效率也很高，在大部分狀況下它都是一個不錯的算法。可是主流的 Java 虛擬機裏沒有選用引用計數算法來管理內存，主要是由於它很難解決對象之間循環引用的問題。

例子：對象 objA 和 objB 都有字段 instance，令 objA.instance = objB 而且 objB.instance = objA，因爲它們互相引用着對方，致使它們的引用計數都不爲 0，因而引用計數算法沒法通知 GC 收集器回收它們。

二 可達性分析法（更好）

全部和 GC Roots 直接或間接關聯的對象都是有效對象，和 GC Roots 沒有關聯的對象就是無效對象。

GC Roots 是指：

1. Java 虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
2. 本地方法棧中引用的對象
3. 方法區中常量引用的對象
4. 方法區中類靜態屬性引用的對象
   GC Roots 並不包括堆中對象所引用的對象，這樣就不會有循環引用的問題。

引用的種類

斷定對象是否存活與「引用」有關。在 JDK 1.2 之前，Java 中的引用定義很傳統，一個對象只有被引用或者沒有被引用兩種狀態，咱們但願能描述這一類對象：當內存空間還足夠時，則保留在內存中；若是內存空間在進行垃圾手收集後仍是很是緊張，則能夠拋棄這些對象。不少系統的緩存功能都符合這樣的應用場景。

在 JDK 1.2 以後，Java 對引用的概念進行了擴充，將引用分爲了如下四種。不一樣的引用類型，主要體現的是對象不一樣的可達性狀態reachable和垃圾收集的影響。

強引用（Strong Reference）

相似 "Object obj = new Object()" 這類的引用，就是強引用，只要強引用存在，垃圾收集器永遠不會回收被引用的對象。可是，若是咱們錯誤地保持了強引用，好比：賦值給了 static 變量，那麼對象在很長一段時間內不會被回收，會產生內存泄漏。

軟引用（Soft Reference）

軟引用是一種相對強引用弱化一些的引用，可讓對象豁免一些垃圾收集，只有當 JVM 認爲內存不足時，纔會去試圖回收軟引用指向的對象。JVM 會確保在拋出 OutOfMemoryError 以前，清理軟引用指向的對象。軟引用一般用來實現內存敏感的緩存，若是還有空閒內存，就能夠暫時保留緩存，當內存不足時清理掉，這樣就保證了使用緩存的同時，不會耗盡內存。

弱引用（Weak Reference）

弱引用的強度比軟引用更弱一些。當 JVM 進行垃圾回收時，不管內存是否充足，都會回收只被弱引用關聯的對象。

虛引用（Phantom Reference）

虛引用也稱幽靈引用或者幻影引用，它是最弱的一種引用關係。一個對象是否有虛引用的存在，徹底不會對其生存時間構成影響。它僅僅是提供了一種確保對象被 finalize 之後，作某些事情的機制，好比，一般用來作所謂的 Post-Mortem 清理機制。

回收堆中無效對象

對於可達性分析中不可達的對象，也並非沒有存活的可能。

斷定 finalize() 是否有必要執行

JVM 會判斷此對象是否有必要執行 finalize() 方法，若是對象沒有覆蓋 finalize() 方法，或者 finalize() 方法已經被虛擬機調用過，那麼視爲「沒有必要執行」。那麼對象基本上就真的被回收了。

若是對象被斷定爲有必要執行 finalize() 方法，那麼對象會被放入一個 F-Queue 隊列中，虛擬機會以較低的優先級執行這些 finalize()方法，但不會確保全部的 finalize() 方法都會執行結束。若是 finalize() 方法出現耗時操做，虛擬機就直接中止指向該方法，將對象清除。

對象重生或死亡

若是在執行 finalize() 方法時，將 this 賦給了某一個引用，那麼該對象就重生了。若是沒有，那麼就會被垃圾收集器清除。

任何一個對象的 finalize() 方法只會被系統自動調用一次，若是對象面臨下一次回收，它的 finalize() 方法不會被再次執行，想繼續在 finalize() 中自救就失效了。

回收方法區內存

方法區中存放生命週期較長的類信息、常量、靜態變量，每次垃圾收集只有少許的垃圾被清除。方法區中主要清除兩種垃圾：

• 廢棄常量
• 無用的類

斷定廢棄常量

只要常量池中的常量不被任何變量或對象引用，那麼這些常量就會被清除掉。好比，一個字符串 "bingo" 進入了常量池，可是當前系統沒有任何一個 String 對象引用常量池中的 "bingo" 常量，也沒有其它地方引用這個字面量，必要的話，"bingo"常量會被清理出常量池。

斷定無用的類

斷定一個類是不是「無用的類」，條件較爲苛刻。

• 該類的全部對象都已經被清除
• 加載該類的 ClassLoader 已經被回收
• 該類的 java.lang.Class 對象沒有在任何地方被引用，沒法在任何地方經過反射訪問該類的方法。

一個類被虛擬機加載進方法區，那麼在堆中就會有一個表明該類的對象：java.lang.Class。這個對象在類被加載進方法區時建立，在方法區該類被刪除時清除。

垃圾收集算法

學會了如何斷定無效對象、無用類、廢棄常量以後，剩餘工做就是回收這些垃圾。常見的垃圾收集算法有如下幾個：

標記-清除算法

標記的過程是：遍歷全部的 GC Roots，而後將全部 GC Roots 可達的對象標記爲存活的對象。

清除的過程：將遍歷堆中全部的對象，將沒有標記的對象所有清除掉。與此同時，清除那些被標記過的對象的標記，以便下次的垃圾回收。

這種方法有兩個不足：

• 效率問題：標記和清除兩個過程的效率都不高。
• 空間問題：標記清除以後會產生大量不連續的內存碎片，碎片太多可能致使之後須要分配較大對象時，沒法找到足夠的連續內存而不得不提早觸發另外一次垃圾收集動做。

複製算法（新生代）

爲了解決效率問題，「複製」收集算法出現了。它將可用內存按容量劃分爲大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當這一塊內存用完，須要進行垃圾收集時，就將存活者的對象複製到另外一塊上面，而後將第一塊內存所有清除。這種算法有優有劣：

• 優勢：不會有內存碎片的問題。
• 缺點：內存縮小爲原來的一半，浪費空間。
  爲了解決空間利用率問題，能夠將內存分爲三塊： Eden、From Survivor、To Survivor，比例是 8:1:1，每次使用 Eden 和其中一塊 Survivor。回收時，將 Eden 和 Survivor 中還存活的對象一次性複製到另一塊 Survivor 空間上，最後清理掉 Eden 和剛纔使用的 Survivor 空間。這樣只有 10% 的內存被浪費。

可是咱們沒法保證每次回收都只有很少於 10% 的對象存活，當 Survivor 空間不夠，須要依賴其餘內存（指老年代）進行分配擔保。

分配擔保

爲對象分配內存空間時，若是 Eden+Survivor 中空閒區域沒法裝下該對象，會觸發 MinorGC 進行垃圾收集。但若是 Minor GC 事後依然有超過 10% 的對象存活，這樣存活的對象直接經過分配擔保機制進入老年代，而後再將新對象存入 Eden 區。

標記-整理算法（老年代）

標記：它的第一個階段與標記/清除算法是如出一轍的，均是遍歷 GC Roots，而後將存活的對象標記。

整理：移動全部存活的對象，且按照內存地址次序依次排列，而後將末端內存地址之後的內存所有回收。所以，第二階段才稱爲整理階段。

這是一種老年代的垃圾收集算法。老年代的對象通常壽命比較長，所以每次垃圾回收會有大量對象存活，若是採用複製算法，每次須要複製大量存活的對象，效率很低。

分代收集算法

根據對象存活週期的不一樣，將內存劃分爲幾塊。通常是把 Java 堆分爲新生代和老年代，針對各個年代的特色採用最適當的收集算法。

新生代：複製算法 老年代：標記-清除算法、標記-整理算法