Java 垃圾回收机制（GC）

一、标记算法

1、对象被判定为垃圾的标准

​ 没有被其他对象引用。

2、判定对象是否为垃圾的算法

1. 引用计数算法
2. 可达性分析算法

3、引用计数算法

• 判断对象的引用数量

1. 通过判断对象的引用数量来决定对象是否可以被回收
2. 每个对象实例都有一个引用计数器，被引用则 +1，完成引用则 -1
3. 任何引用计数为0的对象实例，可以被当作垃圾收集

• 优点

  执行效率高，程序执行受影响较小。

• 缺点

  无法检测出循环引用的情况，导致内存泄露

public class MyObject {
    public MyObject ref;
}

public class ReferenceCounterProblem {
    public static void main(String[] args) {
        MyObject o1 = new MyObject();
        MyObject o2 = new MyObject();
        // 循环引用
        o1.ref = o2;  // o1 引用计数为 2
        o2.ref = o1;  // o2 引用计数为 2
        o1 = null;    // o1 引用计数为 1
        o2 = null;    // o2 引用计数为 1
        // 如果要使 o1 引用计数变为0，需将 o2.ref=null, 而要清除 02.ref 这个引用，需要其对象的引用计数也是0，而其对象的也是1，因为 o1.ref指向了它，从而陷入了死循环。
    }
}

4、可达性分析算法

​ 通过判断对象的引用链是否可达来决定对象是否可以被回收。

​ 从离散数学中的图论引入，程序把所有的引用关系看做一张图，通过一系列的 GC root 作为起始点开始向下搜索，搜索中走过的路径称为 引用链（Reference Chain），当一个对象没有与任何引用链相连，则该对象不可达，即会被标记为垃圾对象。

• GC Root的对象

1. 虚拟机栈中引用的对象（栈帧中的本地变量表）
2. 方法区中的常量引用的对象
3. 方法区中的类静态属性引用的对象
4. 本地方法栈中 JNI（Native方法）的引用对象
5. 活跃线程的引用对象

二、垃圾回收算法

1、标记 - 清除算法（Mark and Sweep）

1. 标记： 从根集合进行扫描，对存活的对象进行标记
2. **清除：**对堆内存从头到尾进行线性遍历，回收不可达对象内存
3. 碎片化
   

2、复制算法（Copying）

1. 分为对象面和空闲面
2. 对象在对象面上创建
3. 存活的对象被从对象面复制到空闲面
4. 将对象面所有对象内存清除

• 特点

1. 解决碎片化问题题
2. 顺序分配内存，简单高效
3. 适用于对象存活率低的场景
   

3、标记 - 整理算法（Compacting）

1. 标记：从根集合进行扫描，对存活的对象进行标记
2. 清除：移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收

• 特点

1. 避免内存的不连续行
2. 不用设置两块内存互换
3. 适用于存活率高的场景
   

4、分代收集算法（Generational Collector）

1. 垃圾回收算法的组合拳
2. 按照对象生命周期的不同划分区域以采用不同的垃圾回收算法
3. 目的：提高 JVM 的回收效率

• JDK6、JDK7
  

• JDK8+
  

• GC的分类

1. **Minor GC: ** Minor 区满时的垃圾回收操作。

   年轻代中的垃圾回收器，年轻代是几乎所有的 java 对象出生的地方，即 java 对象申请的内存及存放都是在该区域，通常大部分对象不会存活太长的时间，采用 复制算法 进行垃圾回收。

2. Full GC： 对老年代的垃圾回收，也伴随这对新生代的垃圾回收。

• 年轻代

  尽可能快速地收集掉那些生命周期短的对象。

  1. Eden区： （伊甸园区）新生成对象所在的位置，若空间不够，会放置在Survivo区等。
  2. 两个Survivor区： From区 和 To 区
     ​

每次分配对象时，使用 Eden区 和 From区。当垃圾回收时，将 Eden区 和 From区中存活的对象，移动到 To区，然后清理掉 Eden区 和 From区。如果空间不够用将使用老年代中区域。

• 对象如何晋升到老年代

1. 经历一定 Minor（Eden区满时的操作） 次数（默认15次）依然存活的对象， （-XX:MaxTenuringThreshold 设置进入老年代的次数）
2. Survivor区中存放不下的对象
3. 新生成的大对象（-XX：+PretenuerSizeThreshold）

• 常用的调优参数

1. -XX:SurvivorRatio：Eden和Survivor的比值，默认8：1
2. -XX:NewRatio：老年代和年轻代内存大小的比例
3. -XX:MaxTenuringThreshold：对象从年轻代晋升到老生代经过GC次数的最大國值

• 老年代

  存放生命周期较长的对象。采用标记-清理算法 或 标记-整理算法 进行垃圾回收。

  • Full GC 和 Major GC
  1. Major GC 是清理老年代。
  2. Full GC 是清理整个堆空间—包括年轻代和老年代。
  3. Full GC 比 Minor GC慢，但执行频率低。
  • 触发 Full GC 的条件
  1. 老年代空间不足
  2. 永久代空间不足 （JDK8以后不存在该情况）
  3. CMS GC时出现 promotion failed，concurrent mode failure
  4. Minor GC 晋升到老年代的平均大小大于老年代的剩余空间
  5. 调用System.gc()，请求 JVM 执行 垃圾回收，JVM 并不一定执行。
  6. 使用 RMI 来进行RPC 或 管理的JDK应用，每小时执行1次 Full GC

三、新生代垃圾收集器

1、Stop-the-World

1. JVM 由于要执行GC 而停止了应用程序的执行，即执行 GC线程时，其他线程均处于等待状态。
2. 任何一种GC算法中都会发生
3. 多数 GC优化 通过减少 Stop-the-world发生的时间来提高程序性能

2、Safepoint

1. 分析过程中对象引用关系不会发生变化的点（可进入执行 GC 的点）
2. 产生 Safepoint的地方：方法调用；循环跳转；异常跳转等
3. 安全点数量得适中

3、JVM模式

1. **Server 模式：**启动慢，采用重量级虚拟机，对程序采用了更多的优化，运行稳定时速度会更快。
2. Client 模式： 启动快，采用轻量级虚拟机，运行稳定时速度较 Server模式 慢。
   

4、垃圾收集器之间的联系

5、年轻代常见的垃圾收集器

• Serial 收集器（-XX:+UseSerialGC，复制算法）

1. 单线程收集，进行垃圾收集时，必须暂停所有工作线程
2. 简单高效，Client模式下默认的年轻代收集器
   

• ParNew 收集器（-XX:+UseParNewGC，复制算法）

1. 多线程收集，其余的行为、特点和Serial收集器一样
2. 单核执行效率不如Serial，在多核下执行才有优势，它默认开启的收集线程数与CPU的数量相同，在CPU非常多，可以使用 -XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。
   

• Parallel Scavenge 收集器（-XX:+UseParallelGC，复制算法）

1. 吞吐量 = 运行用户代码时间 /（运行用户代码时间 + 垃圾收集时间）
2. 比起关注用户线程停顿时间，更关注系统的吞吐量，适合进行后台运算，不需要过多的交互运算
3. 在多核下执行才有优势，Server模式下默认的年轻代收集器
4. 可配合 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy （自适应调节策略），将内存管理的调节任务交给虚拟机去完成。
   

四、老年代常见的垃圾收集器

1、Serial Old 收集器（-XX:+UseSerialOldGC，标记-整理算法）

1. 单线程收集，进行垃圾收集时，必须暂停所有工作线程
2. 简单高效，Client模式下默认的老年代收集器
   

2、Parallel Old 收集器（-XX:+UseParallelOldGC，标记-整理算法）

​ 多线程，吞吐量优先

3、CMS收集器（-XX:UseConcMarkSweepGC，标记-清除算法）

1. 初始标记：stop-the-world
2. 并发标记：并发追溯标记，程序不会停顿
3. 并发预清理：查找执行 并发标记阶段从年轻代晋升到老年代的对象
4. 重新标记：暂停虚拟机，扫描CMS堆中的剩余对象 stop-the-world
5. 并发清理：清理垃圾对象，程序不会停顿
6. 并发重置：重置CMS收集器的数据结构
   
   该收集器 采用标记 - 清除算法，不会压缩存活的对象，会产生内存空间碎片化，如果要分配一个连续较大内存空间就只能触发一次GC。

4、G1收集器（-XX:+UseG1GC，复制+标记-整理算法）

• Garbage First 收集器的特点
  1. 并行和并发
  2. 分代收集（独立管理整个堆，采用不同的算法对不同区中的垃圾进行收集）
  3. 空间整合
  4. 可预测的停顿
  5. 将整个Java堆内存划分成多个大小相等的Region
  6. 年轻代和老年代不再物理离
     

5、JDK11新增的GC

​ Epsilon GC 和 ZGC

五、常见问题

1、Object 的 finalize()方法的作用 是否 与C++的析构函数作用相同

1. 与C++的析构函数不同，析构函数调用时机是确定（离开其作用域），而它的是不确定的
2. 当垃圾回收器寻找一个对象死亡时，至少要经过两次标记过程，如果对象在进行 可达性分析后，没有和 GC Root 相连接的引用链，就会被第一次标记，并且判断是否执行 finalize()方法，如果对象覆盖 finalize()方法且未被引用过，这个对象将放置于F-Queue队列中，并在稍后有 虚拟机自动建立的 低优先级的 finalize线程去执行触发 finalize方法。由于优先级低，不承诺其等待运行结束，即方法执行随时可能被终止。
3. 方法执行随时可能会被终止
4. 给予对象最后一次重生的机会

public class Finalization {
    public static Finalization finalization;
    @Override
    protected void finalize(){
        System.out.println("Finalized");
        finalization = this; // 使得垃圾回收不回收此对象（不建议）
    }

    public static void main(String[] args) {
        Finalization f = new Finalization();
        System.out.println("First print: " + f);
        f = null;
        System.gc();
        try {  // 休息一段时间，让垃圾回收线程执行完成上面的立即回收
            Thread.currentThread().sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Second print: " + f);
        System.out.println(f.finalization);
    }
}

2、Java中的强引用，软引用，弱引用，虚引用有什么用

• 强引用（Strong Reference）

1. 最普遍的引用：Object obj = new Object()
2. 抛出OutOfMemoryError终止程序也不会回收具有强引用的对象
3. 通过将对象设置为null 来弱化引用，使其被回收

• 软引用（Soft Reference）

1. 对象处在有用但非必须的状态
2. 只有当内存空间不足时，GC会回收该引用的对象的内存
3. 可以用来实现高速缓存

String str = new String("abc");  // 强引用
SoftReference<String> softRef = new SoftReference<String>(str);  // 软引用

• 弱引用（Weak Reference）

1. 非必须的对象，比软引用更弱一些
2. GC时会被回
3. 被回收的概率也不大，因为GC线程优先级比较低
4. 适用于引用偶尔被使用 且不影响垃圾收集的对象

String str = new String("abc");  // 强引用
WeakReference<String> weakRef = new WeakReference<String>(str);  // 弱引用

• 虚引用（PhantomReference）

1. 不会决定对象的生命周期
2. 任何时候都可能被垃圾收集器回收
3. 跟踪对象被垃圾收集器回收的活动，起哨兵作用
4. 必须和引用队列 ReferenceQueue 联合使用

String str = new String("abc"); 
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();  // 引用队列
PhantomReference ref = new PhantomReference(str, queue); // 虚引用

• 强引用 > 软引用 > 弱引用 > 虚引用

  引用类型	被垃圾回收时间	用途	生存时间
  强引用	从来不会	对象的一般状态	JVM 停止运行时终止
  软引用	在内存不足时	对象缓存	内存不足时终止
  弱引用	在垃圾回收时	对象缓存	GC 运行后终止
  虚引用	Unknown	标记、哨兵	Unknown

• 类层次结构
  

• 引用队列（ReferenceQueue）

1. 无实际存储结构，存储逻辑依赖于内部节点之间的关系来表达
2. 存储关联的且 被GC的软引用，弱引用以及虚引用

// 1
public class NormalObject {
    public String name;
    public NormalObject(String name){
        this.name = name;
    }

    @Override
    protected void finalize(){
        System.out.println("Finalizing obj " + name);
    }
}

// 2
public class NormalObjectWeakReference extends WeakReference<NormalObject> {
    public String name;

    public NormalObjectWeakReference(NormalObject normalObject, ReferenceQueue<NormalObject> rq) {
        super(normalObject, rq);
        this.name = normalObject.name;
    }
    @Override
    protected void finalize(){
        System.out.println("Finalizing NormalObjectWeakReference " + name);
    }
}

// 3 Test
public class ReferenceQueueTest {
    private static ReferenceQueue<NormalObject> rq = new ReferenceQueue<NormalObject>();

    private static void checkQueue(){
        Reference<NormalObject> ref = null;
        while ((ref = (Reference<NormalObject>)rq.poll()) != null){
            if (ref != null){
                System.out.println("In queue: " + ((NormalObjectWeakReference)(ref)).name);
                System.out.println("reference object:" + ref.get());
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<WeakReference<NormalObject>> weakList = new ArrayList<WeakReference<NormalObject>>();
        for (int i =0; i < 3 ; i++){
            weakList.add(new NormalObjectWeakReference(new NormalObject("Weak " + i),rq));
            System.out.println("Created weak:" + weakList.get(i));
        }
        System.out.println("first time");
        checkQueue();
        System.gc();
        try {
            Thread.currentThread().sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("second time");
        checkQueue();
    }
}