JVM 垃圾回收（GC）和HotSpot算法实现

JVM GC主要针对的是Java堆和方法区

如何判断对象已死：

可达性分析算法（Reachability Analysis）：通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起点，从对象节点开始向下搜索，搜索所走过的路径为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链的时（从GC Roots到这个对象不可达），则证明此对象不可用。

附：引用计数法（Reference Counting）：此方法因为很难解决对象之间相互引用的问题，所以暂时不讨论。

Java内置对象引用工具：

1、强引用（Strong Reference）：只要强引用存在，GC不会回收，甚至OOM也在所不惜

2、软引用（Soft Reference）：在系统将要发生溢出之前才回收

3、弱引用（Weak Reference）：只能生存到下一次GC回收之前

4、虚引用（Phantom Reference）：仅仅是理论上存在，唯一的目的就是能在这个对象没收集器回收时收到一个通知

Java回收流程：

即使在可达性分析算法中为不可达，也并非是“非死不可”，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，想要宣告一个对象死亡，至少要经过两次标记过程：

第一次标记：对象没有与GC Roots相连接的引用链，且finalize()方法被重写且没有被虚拟机调用过，将会被第一次标记，且放到F-Queue的队列之中，虚拟机会自动启动一个低优先级的Finalizer线程去执行对象finalize()方法。

第二次标记：finalize()方法将会是对象逃脱死亡的最后一次机会，GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模标记，如果对象依然没有GC Roots相连接的引用链，那么对象直接被回收。

方法区回收（永久代）：

主要回收废弃常量和无用的类。

无用类判断必须满足以下三个条件：

1、该类所有的实例都已经被回收，也就是java堆中不存在该类任何实例

2、加载该类的ClassLoader已经被回收

3、该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法再任何地方通过反射访问该类的方法

分代收集算法（Generational Collection）：

当前商业虚拟机采用分代收集算法，这种算法根据对象的存活周期的不同将Java堆划分为几块，一般是将虚拟机划分为新生代和老年代，新生代中有大批的对象死去只有少量存活，老年代存放趋于稳定的对象。

由于新生代对象存活下来的相对较少，所以可以使用复制算法，而老年代因为对象存活率高，可采用标记清理或标记整理算法。

         标记-清除算法（Mark-Sweep）：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有标记的对象。缺点：效率不足，标记清楚后会产生大量不连续的内存碎片

标记-整理（Mark-compat）：首先标记出所有需要回收的对象，让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存

复制算法（Copying）：根据需要将容量划分为两块，每次只使用一块，当这一块内存用完了，就将还在存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉，缺点：将内存缩小了

HotSpot的算法实现

这部分内容比较抽象，如果更具体的去了解，建议查看《深入理解JVM虚拟机》3.4章节和百度相关资料。以下是个人白话文理解，希望有所帮助。

1、GC停顿（Stop The Word）：暂停所有Java执行线程，进行可达性分析工作。之所以需要暂停所有Java运行线程，是因为需要保证在GC过程中，不能出现对象引用关系变化，保证分析结果的准确性。

2、枚举根节点：将GC Roots的节点保存在OopMap中，在GC时不用重新遍历（可能耗时）GC Roots 根节点，而是直接通过OopMap获取。不是每条指令都生成OopMap，只是在特定的位置记录。可作为GCRoots的节点主要在全局性的引用（如常量和类静态属性）与执行上下文（例如栈帧中的本地变量表），在类加载完成的时候，虚拟机就把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来，在JIT编译过程中，也会特定的记录下栈和寄存器中哪些位置是引用。

3、安全点（Safepoint）：不是每条指令都生成OopMap，只是在特定的位置记录，这些特定的点被称为安全点。程序执行时并非所有的地方都能停下来GC，只有到达安全点的时候才能暂停，所以安全点可以理解为对象是否接受GC考验的临界条件。

安全点的选择有两种方案：

a、抢先式中断（Preemptive Suspension）：GC线程主动中断全部线程，如果发现有线程不在安全点上，则让线程运行到安全点上，再进行中断

b、主动式中断（Voluntary Suspension）：不对线程进行操作，仅仅是设置一个标志位，所有线程主动去轮询这个标志位，然后自动挂起。

Safepoint指的特定位置主要有:
a. 循环的末尾 (防止大循环的时候一直不进入safepoint，而其他线程在等待它进入safepoint)
b. 方法返回前
c. 调用方法的call之后
d. 抛出异常的位置

4、安全域（Safe Region）：安全区域是指在一段代码中，引用关系不会发生变化，在这个区域中的任意地方GC都是安全的。主要针对处于Sleep状态和Blocked状态的线程，当线程离开安全区域时，它需要检查系统是否已经完成了根节点枚举（或者整个GC过程），如果GC没完成，则需要等待直到收到可以离开安全区域为止。