Gc回收机制和回收算法解析

前言

GC（Garbage Collection），和面向对象一样是java语言的一大特性之一，有了它，不用再像c/c++那样麻烦且频繁地free()和delete()。垃圾回收机制主要作用于java堆（Heap），也就是jvm用于存放对象实例的地方，所以很多时候我们也把java堆成为GC堆。Java的内存管理包括内存分配和内存回收。这两方面工作都是由JVM自动完成的，虽然降低了Java程序员的学习难度，避免了像C/C++直接操作内存的危险。但是，也正因为内存管理完全由JVM负责，所以也使Java很多程序员不再关心内存分配，导致很多程序低效，耗内存。因此就有了Java程序员到最后应该去了解GC机制，才能写出更高效，充分利用有限的内存的程序。

相关知识

JAVA 简单理解JVM概念分析与GC机制

Java、Android 内存详解如何分配

垃圾收集器必须完成的两件事：1,检测垃圾、2,回收垃圾。

一、检测垃圾

1、引用计数算法（Reference Counting）

给每个对象添加一引用计数器，每当有一个地方引用它，计数器+1；引用失效时，计数器-1。引用计数算法很简单高效。但是，现在主流的虚拟机没有选用引用计数算法来管理内存，原因是它很难解决对象之间相互引用的问题。试想一下，要是虚拟机用了引用计数算法，下面的objA和objB会不会回收呢？

public class ReferenceCountingGC{
    public Object instance = null;
    public static void testGC(){
        ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC ();
        ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC ();
        objB.instance = objA;
        objA.instance = objB;
        objA = null;
        objB = null;
        System.gc();
    }
}

2、可达性分析算法（Rearchability Analysis）

• 可达状态：在一个对象创建后，有一个以上的引用变量引用它，那它就处于可达状态。
• 可恢复状态：如果程序中某个对象不再有任何的引用变量引用它，它将先进入可恢复状态。在这个状态下，系统会调用finalize()方法进行资源整理，如果资源整理后有一个以上引用变量引用该对象，则这个对象又再次变为可达状态，否则会变成不可达状态。
• 不可达状态：当对象的所有引用都被切断，且系统调用finalize()方法进行资源整理后该对象依旧没变为可达状态，则这个对象将永久性失去引用并且变成不可达状态，系统才会真正的去回收该对象所占用的资源！！！（前面啰啰嗦嗦一大堆，都是铺垫这句才是重点！哈哈~）

3、对象的4种引用

• 强引用 ：创建一个对象并把这个对象直接赋给一个变量，不管系统资源多么紧张，强引用的对象都不会被回收，即使他以后不会再用到。
• 软引用 ：通过SoftReference修饰的类，内存非常紧张的时候会被回收，其他时候不会被回收，在使用之前要判断是否为null从而判断他是否已经被回收了。
• 弱引用 ：通过WeakReference修饰的类，不管内存是否足够，系统垃圾回收时必定会回收。
• 虚引用 ：不能单独使用，主要是用于追踪对象被垃圾回收的状态。通过PhantomReference修饰和引用队列ReferenceQueue类联合使用实现。

二、垃圾回收

其实Java垃圾回收主要做的是两件事：内存回收 和 碎片整理 。

回收机制

1. 串行回收和并行回收：串行回收是不管系统有多少个CPU，始终只用一个CPU来执行垃圾回收操作；并行回收就是把整个回收工作拆分成多个部分，每个部分由一个CPU负责，从而让多个CPU并行回收。并行回收的执行效率很高，但更复杂，另外内存会增加。
2. 应用程序停止和并发执行 ：应用程序停止，顾名思义是在执行垃圾回收的同时会导致应用程序的暂停。并发执行的垃圾回收虽不会导致应用程序的暂停，但需要解决和应用程序的执行冲突（应用程序可能在垃圾回收的过程修改对象），因此并发执行垃圾回收的系统开销比较高，而且执行时需要更多的堆内存。
3. 支持压缩的垃圾回收（标记-压缩 = 标记清除+压缩）会把所有的可达对象搬迁到一起，然后将之前占用的内存全部回收，减少了内存碎片。
4. 不压缩的垃圾回收（标记-清除）要遍历两次，第一次先从跟开始访问所有可达对象，并将他们标记为可达状态，第二次便利整个内存区域，对未标记可达状态的对象进行回收处理。这种回收方式不压缩，不需要额外内存，但要两次遍历，会产生碎片
5. 复制式的垃圾回收：将堆内存分成两个相同空间，将空间A的全部可达对象复制到空间B，然后一次性回收空间A。对于该算法而言，因为只需访问所有的可达对象，将所有的可达对象复制走之后就直接回收整个空间，完全不用理会不可达对象，所以遍历空间的成本较小，但需要巨大的复制成本和较多的内存。

     6.堆内存的分代回收：按对象的生存时间分成两代，分布是年轻代（Yong）和老人代（old），且两代之间的对象很少存在互相引用。

Young代 ：因为对象数量少，所以采用复制回收机制。划分两个区域，分别是Eden区和Survivor区，多数对象先分配到Eden区，一些内存大的对象会直接被分配到Old代中。Survivor区同一时间又分Form、To两个小区，一个用来保存对象，另一个是空的；如下图，每次进行Young代垃圾回收的时候，就把Eden和From中的可达对象复制到To区域中，一些生存时间长的就复制到了老年代，接着清理回收Eden和From空间。最后，原来的To空间变为From空间，原来的From空间变为To空间绝大因为Young代对象大部分很快进入不可达状态，因此回收频率高且回收速度快。

②Old代 ：

Ⅰ回收机制 ：采用标记压缩算法回收。

Ⅱ对象来源 ：1.对象大直接进入老年代。2.Young代中生存时间长的可达对象

Ⅲ回收频率 ：因为很少对象会死掉，所以执行频率不高，而且需要较长时间来完成。

③Permanent代 ：

Ⅰ用      途 ：用来装载Class，方法等信息，默认为64M，不会被回收

Ⅱ对象来源 ：eg：对于像Hibernate，Spring这类喜欢AOP动态生成类的框架，往往会生成大量的动态代理类，因此需要更多的Permanent代内存。所以我们经常在调试Hibernate，Spring的时候经常遇到java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space的错误，这就是Permanent代内存耗尽所导致的错误。

Ⅲ回收频率 ：不会被回收

3.3常见的垃圾回收器

1）串行回收器（只使用一个CPU）：Young代采用串行复制算法；Old代使用串行标记压缩算法（三个阶段：标记mark—清除sweep—压缩compact），回收期间程序会产生暂停，

2）并行回收器：对Young代采用的算法和串行回收器一样，只是增加了多CPU并行处理； 对Old代的处理和串行回收器完全一样，依旧是单线程。

3）并行压缩回收器：对Young代处理采用与并行回收器完全一样的算法；只是对Old代采用了不同的算法，其实就是划分不同的区域，然后进行标记压缩算法：

① 将Old代划分成几个固定区域；

② mark阶段（多线程并行），标记可达对象；

③ summary阶段（串行执行），从最左边开始检验知道找到某个达到数值（可达对象密度小）的区域时，此区域及其右边区域进行压缩回收，其左端为密集区域

④ compact阶段（多线程并行），识别出需要装填的区域，多线程并行的把数据复制到这些区域中。经此过程后，Old代一端密集存在大量活动对象，另一端则存在大块空间。

4）并发标识—清理回收（CMS）：对Young代处理采用与并行回收器完全一样的算法；只是对Old代采用了不同的算法，但归根待地还是标记清理算法：

① 初始标识（程序暂停）：标记被直接引用的对象(一级对象)；

② 并发标识（程序运行）：通过一级对象寻找其他可达对象；

③ 再标记（程序暂停）：多线程并行的重新标记之前可能因为并发而漏掉的对象（简单的说就是防遗漏）

④ 并发清理（程序运行）

4.内存管理小技巧

1）尽量使用直接量，eg：String javaStr = “小学徒的成长历程”;

2）使用StringBuilder和StringBuffer进行字符串连接等操作;

3）尽早释放无用对象;

4）尽量少使用静态变量;

5）缓存常用的对象:可以使用开源的开源缓存实现，eg：OSCache，Ehcache;

6）尽量不使用finalize()方法;

7）在必要的时候可以考虑使用软引用SoftReference。