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JVM 垃圾收集器

一、判断对象是否存活

1、引用计数算法

（1）基本思路

• 在对象中添加一个引用计数器
• 每当有一个地方引用这个对象时，计数器就+1
• 每当有一个引用失效时，计数器就会-1
• 当计数器为0的时候，那么该对象就是可被 GC 回收的对象

（2）存在的问题

对象循环引用

a对象引用b对象，b对象也引用a对象，a、b对象没有再被其他对象引用，正常来说这两个对象已经是垃圾了，因为没有被其他对象再引用，但是计数器的数值却不是 0 ，所以使用此算法就无法被回收

2、可达性分析算法

（1）基本思路

• 通过定义了一系列称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集
• 从 GC Roots 开始，根据引用关系往下进行搜索，查找的路径我们把它称为 “引用链”
• 当一个对象到 GC Roots之间没有任何引用链相连时（对象与GC Roots之间不可达），那么该对象就是可被GC回收的垃圾对象。

可达性分析算法也是JVM 默认使用的寻找垃圾算法。

比如执行一个方法，这个方法就被当做 GC Roots 根对象，方法内的所有对象都会与跟根对象产生关联，当这些对象与 GC Roots 有关联时，不会被当做垃圾回收，当没有关联时，就会被回收

例如

Object 6、Object 7、Object 8彼此之前有引用关系，但是没有与"GC Roots"相连，那么就会被当做垃圾所回收。

二、Java 中的四种引用方式

1、强引用（Strong Reference）

• 强引用是最普遍的引用
• 当一个对象是强引用，垃圾回收器绝不会回收他
• 当内存不足时，JVM 宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，也不会回收具有强引用的对象，来解决内存不足问题

Object strongReference = new Object();

• 如果强引用对象不使用时，需要 弱化从而使 GC 能够回收

（1）弱化方式1

• 显示的设置 strongReference 对象为null，则 gc 认为该对象不存在引用，这时就可以回收这个对象

• 如果 strongReference 是 全局变量，就需要在不用这个对象时赋值为null，因为强引用不会被垃圾回收。

strongReference = null;

应用场景：在ArrayList集合类中定义elementData数组，在调用clear()方法清空集合元素时，将每个数组元素被赋值为null。目的是为了将内存数组中存放的引用类型进行内存释放，可以及时释放内存。不选择将elementData=null，是为了避免在后续调用add()等方法添加新元素时，需要进行内存的重新分配

//ArrayList 源码
public void clear() {
    modCount++;

    // clear to let GC do its work
    for (int i = 0; i < size; i++)
        elementData[i] = null;

    size = 0;
}

（2）弱化方式2

让对象超出作用域范围，即缩小强引用的作用范围

public void test() {
    Object strongReference = new Object();
    // 省略其他操作
}

应用场景：在一个方法的内部有一个强引用，这个引用保存在VM Stack栈中（GC Root*），而真正的引用对象(Object)保存在堆中。当这个方法运行完成后，就会退出方法栈，则这个对象会被回收。

2、软引用（Soft Reference）

• 如果一个对象只具有软引用，则 内存空间充足 时，垃圾回收器就不会回收它
• 如果 内存空间不足时 ，就会回收这些对象，从而释放内存
• 软引用可以用来实现内存敏感的高速缓存

使用 SoftReference 创建软引用

// 定义和访问软引用
// 强引用
String strongReference = new String("abc");

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

// 访问软引用
softReference.get();

• 软引用对象是在jvm内存不够的时候才会被回收，我们调用System.gc()方法只是起通知作用，最终何时回收，由JVM决定。
• 所以，当内存不足时，JVM首先将软引用中的对象引用置为null，然后通知垃圾回收器进行回收：

//回收软引用
// 软引用
String str = new String("abc");
SoftReference<String> softReference = new SoftReference<>(str);

str = null;

// Notify GC
System.gc();

try {
    byte[] buff1 = new byte[900000000]; // 内存充沛
    // byte[] buff2 = new byte[900000000]; // 内存不足
} catch (Error e) {
    e.printStackTrace();
}

System.out.println(softReference.get()); // abc 或 null

**应用场景：**短视频APP中的视频缓存，后退时，显示的短视频内容是重新进行请求还是从缓存中取出呢？

1. 如果一个短视频在播放结束时，就进行内容的回收，则后退查看前面播放的短视频时，需要重新请求。
2. 如果将播放过的短视频存储到内存中，会造成内存的开销，甚至会造成内存溢出。

此时，可以使用软引用解决这个实际问题：

//软引用案例
// 获取视频播放器对象
Player videoAlayer = new Player();

// 加载短视频
Video video = audioAlayer.getVideo();

// 将播放完毕的短视频设置为软引用
SoftReference softReference = new SoftReference(video);

// 回退或者再次播放时
if(softReference.get() != null) {
    // 内存充足，还没有被回收器回收，直接获取缓存
    video = softReference.get();
} else {
    // 内存不足，软引用的对象已经回收
    video = audioAlayer.getVideo();
    // 重新构建软引用
    softReference = new SoftReference(video);
}

3、弱引用（Weak Reference）

• 只具有 弱引用 的对象拥有 更短暂 的 生命周期
• 在垃圾回收器扫描的时候，不管内存是否足够，都会回收它的内存

创建弱引用，使用 WeakReference

String str = new String("abc");
WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str);
str = null;

System.gc();
		
// 一旦发生GC，弱引用一定会被回收
System.out.println(weakReference.get());

4、虚引用（Phantom Reference）

• 虚引用是最弱的一种引用关系
• 如果一个对象仅持有虚引用，完全不会对其生存时间构成影响，它就和没有任何引用一样，随时可能会被回收
• 主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动，可以在垃圾收集时收到一个系统通知

public class PhantomReference<T> extends Reference<T> {
    public T get() {
        return null;
    }
}

二、垃圾收集算法

1、分代收集理论

目前主流JVM虚拟机中的垃圾收集器，都遵循分代收集理论：

• 弱分代：绝大多数对象都是朝生夕灭
• 强分代：经历越多次垃圾收集过程的对象，越难以回收，难以消亡

按照分代收集理论设计的“分代垃圾收集器”，所采用的设计原则：收集器应该将Java堆划分成不同的区域，然后将回收对象依据其年龄（年龄即对象经历过垃圾收集过程的次数）分配到不同的区域存储

（1）分代存储

• 如果一个区域中大多数对象都是朝生夕灭（新生代），难以熬过垃圾收集过程的话，把它们集中存储在一起，每次回收时，只关注如何保留少量存活对象，而不是去标记大量将要回收的对象，就能以较低代价回收到大量的空间。
• 如果一个区域中大多数对象都是难以回收（老年代），那么把它们集中放在一起，JVM虚拟机就可以使用较低的频率，来对这个区域进行回收。
• 这样设计的好处是，兼顾垃圾收集的时间开销和内存空间的有效利用。

（2）分代收集

堆区按照分代存储的好处：

在Java堆区划分成不同区域后，垃圾收集器才可以每次只回收其中某一个或者某些区域，所以才有MinorGC、MajorGC、FullGC等垃圾收集类型划分。

在Java堆区划分成不同区域后，垃圾收集器才可以针对不同的区域，安排与该区域存储对象存亡特征相匹配的垃圾收集算法：标记-复制算法、标记-清除算法、标记-整理算法等

垃圾收集类型划分：

• 部分收集（Partial GC）：没有完整收集整个Java堆的垃圾收集，其中又分为：

• • 新生代收集（Minor GC / Young GC）
  • 老年代收集（Major GC / Old GC）
  • 混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代和部分老年代的垃圾收集。

• 整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆的垃圾收集

2、垃圾收集算法

（1）标记-清除算法（Mark-Sweep）

最基础的收集算法

算法实现思路

1. 该算法分为“标记”和“清除”阶段
2. 首先标记出所有不需要（或需要）回收的对象
3. 标记完成后，清除所有没有（或有）被标记的对象

存在的问题

1. 执行效率不稳定

   如果执行垃圾收集的区域，大部分对象是需要被回收的，则需要大量的标记和清除动作，导致效率变低

2. 内存空间碎片化

   标记清除后会产生大量的不连续的内存空间碎片，会导致分配较大对象时，无法找到祖足够的连续空间，从而会触发新的垃圾收集动作

（2）标记-复制算法（Copying）

算法实现思路

简称 “复制算法” ，为了解决“标记-清除”面对大量可回收对象时执行效率低下的问题

1. 将内存分为两个大小相同的空间，每次使用其中的一块
2. 当其中一块内存使用完成后，就将还存活的对象复制到另一块，然后清空当前已经使用的空间

算法特点

当内存中大多数对象都是可回收的情况，推荐使用此算法

存在的问题

1. 对象存活率较高，需要进行较多的内存间复制，效率降低
2. 浪费过多的内存，使现有的可用空间变为原来的一半

3、标记-整理算法（Mark-Compact）

算法实现思路

标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，而是让所有存活的对象向内存空间一端移动， 然后直接清理边界以外的内存，这样清理的机制，不会像标记-清除那样留下大量的内存碎片。

4、总结

当前虚拟机的垃圾收集都基于分代收集思想，根据对象存活周期的不同，将内存分为几个不同的区域，在不同的区域选择使用合适的垃圾收集算法

• 在新生代中，每次收集都会有大量垃圾对象被回收，所以可以选择“标记-复制”算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集
• 在老年代中，对象存活几率是比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集