初识垃圾回收
翻译原文 => plumbr Java GC handbook
乍一看，垃圾回收所做的事情应当恰如其名——查找并清除垃圾。事实上却恰恰相反。垃圾回收是用来跟踪所有仍在使用的对象，然后将剩余的对象标记为垃圾。牢记了这点之后，我们再来更加深入地了解下这个被称为“垃圾回收”的自动化内存回收在Java虚拟机中到底是如何实现的。
在介绍细节之前，我们从介绍垃圾回收的基本特性，核心概念和实现方法等这些基础知识开始。
注意：这些内容是基于Oracle的Hotspot和OpenJDK的实现来介绍的，在其他的其他的运行时或者JVM版本，比如JRockit或者IBM J9上，本文所描述有些方面会完全不适用
手动管理内存
在介绍现代版的垃圾回收之前，我们先来简单地回顾下需要手动地显式分配及释放内存的那些日子。如果你忘了去释放内存，那么这块内存就无法重用了。这块内存被占有了却没被使用。这种场景被称之为内存泄露。
下面是用C写的一个手动管理内存的简单例子：
int send_request() {
size_t n = read_size();
int *elements = malloc(n * sizeof(int));
if(read_elements(n, elements) < n) {
// elements not freed!
return -1;
}
// …
free(elements)
return 0;
}
有过C语言经验的人可以深刻的体会到，你很容易就会忘了释放内存。内存泄露曾经是个非常普遍的问题。你只能通过不断地修复自己的代码来与它们进行抗争。因此，需要有一种更优雅的方式来自动释放无用内存，从而消除人为错误的可能性。这种自动化过程被称为垃圾回收（简称GC）。
智能指针
自动垃圾回收早期的一种实现便是通过析构器。例如，我们在C++里面可以通过使用vector来做同样的事情，当vector对象离开作用域时，vector的析构器会被自动调用以回收内存。
int send_request() {
size_t n = read_size();
vector elements = vector(n);
if(read_elements(elements.size(), &elements[0]) < n) {
return -1;
}
return 0;
}
但是在更复杂的情况下，特别是在多线程之间共享对象时，仅仅依赖析构器是无法实现自动内存回收的。这个时候，引用计数技术作为最简单的垃圾回收器应运而生。对于每个对象，你知晓它被引用了几次，当计数器归零时，这个对象就可以被安全地回收掉了。C++的共享指针就是一个非常著名的例子：
int send_request() {
size_t n = read_size();
auto elements = make_shared>();
// read elements
store_in_cache(elements);
// process elements further
return 0;
}
现在，为了避免在下次该函数被调用时，重新读取元素，我们可能希望把这些元素缓存起来。在这种情况下，当该vector对象离开作用域时是不能销毁该vector对象的。因此我们可以使用共享指针，它会记录这个对象被引用的次数。如果你将它传递给别人则计数加一，当它离开了作用域后便会减一。一旦这个计数为零，共享指针会自动地删除底层对应的vector。
自动内存管理
在上面的C++代码中，我们还得显式地声明我们需要使用内存管理。那如果所有的对象都采用这个机制会怎样呢？那简直就太方便了，这样开发人员便无需考虑清理内存的事情了。运行时会自动知晓哪些内存不再使用了，然后释放掉它。也就是说，它自动地回收了这些垃圾。第一代的垃圾回收器是1959年Lisp引入的，这项技术迄今为止一直在不断演进。
引用计数
刚才我们用C++的共享指针所演示的想法可以应用到所有的对象上来。许多语言比如说Perl, Python以及PHP，采用的都是这种方式。这个通过一张图可以很容易说明：
绿色的云所指向的对象表示仍然被程序使用。从技术层面上来说，这有点像是正在执行的某个方法里面的局部变量，亦或是静态变量之类的。不同编程语言的情况可能会不一样，因此这并不是我们关注的重点。
蓝色的圆圈代表的是内存中的活着的对象，可以看到有多少对象引用了它们。灰色圆圈的对象是已经没有任何人引用的了。因此，它们属于垃圾对象，可以被垃圾回收器清理掉。
看起来还不错对吧？没错，不过这里存在着一个重大的缺陷。很容易会出现一些孤立的环，它们中的对象都不在任何域内，但彼此却互相引用导致引用数不为0。下面便是一个例子：
看到了吧，红色部分其实就是应用程序不再使用的垃圾对象。由于引用计数的缺陷，因此会存在内存泄露。
有几种方法可以解决这一问题，比如说使用特殊的“弱”引用，或者使用一个单独的算法回收循环引用。之前提到的Perl,Python以及PHP等语言，都是使用类似的方法来回收循环引用的，不过这已经超出本文讲述的范围了。我们准备详细介绍下JVM所采用的方法。
标记删除
首先，JVM对于对象可达性的定义要明确一些。它可不像前面那样用绿色的云便含糊了事的，而是有着非常明确及具体的垃圾回收根对象（Garbage Collection Roots）的定义：
- 局部变量
- 活动线程
- 静态字段
- JNI引用
- 其它（后面将会讨论到）
JVM通过标记删除的算法来记录所有可达（存活）对象，同时确保不可达对象的那些内存能够被重用。这包含两个步骤：
- 标记是指遍历所有可达对象，然后在本地内存中记录这些对象的信息
- 删除会确保不可达对象的内存地址可以在下一次内存分配中使用。
JVM中的不同GC算法，比如说Parallel Scavenge，Parallel Mark+Copy， CMS都是这一算法的不同实现，只是各阶段略有不同而已，从概念上来讲仍然是对应着上面所说的那两个步骤。
这种实现最重要的就是不会再出现泄露的对象环了：
缺点就是应用程序的线程需要被暂停才能完成回收，如果引用一直在变的话你是无法进行计数的。这个应用程序被暂停以便JVM可以进行整理活动的情况又被称为Stop The World pause(STW)。这种暂停被触发的可能性有很多，不过垃圾回收应该是最常见的一种。