Java虛擬機 —— 垃圾回收機制

在Java虛擬機中，對象和數組的內存都是在堆中分配的，垃圾收集器主要回收的內存就是再堆內存中。若是在Java程序運行過程當中，動態建立的對象或者數組沒有及時獲得回收，持續積累，最終堆內存就會被佔滿，致使OOM。

JVM提供了一種垃圾回收機制，簡稱GC機制。經過GC機制，可以在運行過程當中將堆中的垃圾對象不斷回收，從而保證程序的正常運行。

垃圾對象的斷定

咱們都知道，所謂「垃圾」對象，就是指咱們在程序的運行過程當中再也不有用的對象，即再也不存活的對象。那麼怎麼來判斷堆中的對象是「垃圾」、再也不存活的對象呢？

引用計數法

每一個對象都有一個引用計數的屬性，用來保存該對象被引用的次數。當引用次數爲0時，就意味着該對象沒有被引用了，也就不會在使用這個對象了，能夠斷定爲垃圾對象。可是，這種方式有一個很大的Bug，就是沒法解決對象間相互引用或者循環引用的問題：當兩個對象相互引用，他們兩個和其餘任何對象也沒有引用關係，它倆的引用次數都不爲0，所以不會被回收，但實際上這兩個對象已經再也不有用了。

可達性分析（根搜索法）

爲了不使用引用計數法帶來的問題，Java採用了可達性分析法來判斷垃圾對象。

這種方式能夠將全部對象的引用關係想象成一棵樹，從樹的根節點GC Root遍歷全部引用的對象，樹的節點就爲可達對象，其餘沒有處於節點的對象則爲不可達對象。

那麼什麼樣的對象能夠做爲GC的根節點呢？

• 虛擬機棧（幀棧中的本地變量表）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

引用狀態

垃圾回收機制，無論採用是引用計數法，仍是可達性分析法，都與對象的引用有關，Java中存在四種引用狀態：

• 強引用 - 咱們使用的大部分引用實際上都是強引用，這是使用最廣泛的引用。若是一個對象具備強引用，就表示它處於可達狀態，垃圾回收器毫不會回收它，即使系統內存很是緊張，Java虛擬機寧願拋出OutOfMemoryError錯誤，使程序異常終止，也不會回收被強引用所引用的對象。所以，強引用是形成Java內存泄露的主要緣由之一。

• 軟引用 - 一個對象只具備軟引用，若是內存空間足夠，垃圾回收器就不會回收它，若是內存空間不足了，就會回收這些對象的內存。只要垃圾回收器沒有回收它，該對象就能夠被程序使用。

• 弱引用 - 一個對象只具備弱引用，那就相似因而無關緊要的。弱引用和軟引用很像，但弱引用的引用級別更低。弱引用與軟引用的區別在於：只具備弱引用的對象擁有更短暫的生命週期。在垃圾回收器線程掃描它所管轄的內存區域的過程當中，一旦發現了只具備弱引用的對象，無論當前內存空間足夠與否，都會回收它的內存。

• 虛引用 - 一個對象僅持有虛引用，那麼它就和沒有任何引用同樣，在任什麼時候候均可能被垃圾回收器回收。虛引用主要用來跟蹤對象被垃圾回收的活動，咱們日常通常不會使用。

垃圾回收算法

經過可達性分析算法可以斷定哪些對象是須要回收的了，那麼回收具體須要怎樣去執行呢？

標記-清除算法

首先須要標記能夠回收的對象內存，而後在對回收的內存進行清除。

標記-清除算法（回收前）

標記-清除算法（回收後）

可是這樣的話，隨着程序的運行，會不斷分配釋放內存，在堆中會產生不少的不連續的空閒內存區，即內存碎片。這樣即便有足夠多的空閒內存，也不必定能分配出足夠大的內存，而且可能會形成頻繁的GC，影響效率，甚至OOM。

標記-整理算法

和標記-清除算法不一樣的是，標記-整理算法在標記後不直接清理可回收內存，而是將存活對象都移動到一端，而後清除掉可回收內存。

標記-整理算法（回收前）

標記-整理算法（回收後）

這樣作的好處就是不會產生內存碎片。

複製算法

複製算法須要先將內存分爲兩塊，先在其中一塊內存上分配內存，當這塊內存被分配完後，則執行垃圾回收，而後把存活對象所有複製到另外一塊內存上，第一塊內存則所有清空。

複製算法（回收前）

複製算法（回收後）

這種算法不會產生內存碎片，可是至關於只能使用一半的內存空間。同時，複製算法和存活對象的數量有關，若是存活對象的數量多，那麼複製算法的效率會大大下降。

分代收集算法

在Java虛擬機中，對象的生命週期有長有短，大部分對象的生命週期很短，只有少部分的對象纔會在內存中存留較長時間，所以能夠依據對象生命週期的長短將它們放在不一樣的區域。在採用分代收集算法的Java虛擬機堆中，通常分爲三個區域，用來分別儲存這三類對象：

• 新生代 - 剛建立的對象，在代碼運行時通常都會持續不斷地建立新的對象，這些新建立的對象有不少是局部變量，很快就會變成垃圾對象。這些對象被放在一塊稱爲新生代的內存區域。新生代的特色是垃圾對象多，存活對象少。

• 老年代 - 一些對象很早被建立了，經歷了屢次GC也沒有被回收，而是一直存活下來。這些對象被放在一塊稱爲老年代的區域。老年代的特色是存活對象多，垃圾對象少。

• 永久代 - 一些伴隨虛擬機生命週期永久存在的對象，好比一些靜態對象，常量等。這些對象被放在一塊稱爲永久代的區域。永久代的特色是這些對象通常不須要垃圾回收，會在虛擬機運行過程當中一直存活。（在Java1.7以前，方法區中存儲的是永久代對象，Java1.7方法區的永久代對象移到了堆中，而在Java1.8永久代已經從堆中移除了，這塊內存給了元空間。）

分代收集算法也就根據新生代和老年代來進行垃圾回收的。

對於新生代區域，每次GC都會有不少垃圾對象被回收，只有少許存活。所以採用複製回收算法，GC時把剩餘不多的存活對象複製過去便可。

在新生代區域中，並非按照1:1的比例來進行復制回收，而是按照8:1:1的比例分爲了Eden、SurvivorA、SurvivorB三個區域。其中Eden意爲伊甸園，形容有不少新生對象在裏面建立；Survivor區則爲倖存者，即經歷GC後仍然存活下來的對象。

1. Eden區對外提供堆內存。當Eden區快要滿了，則進行Minor GC(新生代GC)，把存活對象放入SurvivorA區，清空Eden區；
2. Eden區被清空後，繼續對外提供堆內存；
3. 當Eden區再次被填滿，此時對Eden區和SurvivorA區同時進行Minor GC(新生代GC)，把存活對象放入SurvivorB區，此時同時清空Eden區和SurvivorA區；
4. Eden區繼續對外提供堆內存，並重覆上述過程，即在 Eden 區填滿後，把Eden區和某個Survivor區的存活對象放到另外一個Survivor區；
5. 當某個Survivor區被填滿，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老年代區域；當老年區也被填滿時，進行Major GC（老年代GC），對老年代區域進行垃圾回收。

老年代區域對象通常存活週期較長，每次GC時，存活的對象比較多，所以採用標記-整理算法，GC時移動少許存活對象，不會產生內存碎片。

觸發GC的類型

Java虛擬機會把每次觸發GC的信息打印出來，能夠根據日誌來分析觸發GC的緣由。

• GC_FOR_MALLOC：表示是在堆上分配對象時內存不足觸發的GC。
• GC_CONCURRENT：當咱們應用程序的堆內存達到必定量，或者能夠理解爲快要滿的時候，系統會自動觸發GC操做來釋放內存。
• GC_EXPLICIT：表示是應用程序調用System.gc、VMRuntime.gc接口或者收到SIGUSR1信號時觸發的GC。
• GC_BEFORE_OOM：表示是在準備拋OOM異常以前進行的最後努力而觸發的GC。

參考：

Java內存回收機制--Java引用的種類（強引用、弱引用、軟引用、虛引用）
理解Java垃圾回收機制
Java 技術之垃圾回收機制