深入理解 JVM 之——垃圾回收与内存分配策略

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垃圾回收策略

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说起垃圾收集（Garbage Collection，下文简称GC），有不少人把这项技术当作Java语言的伴生产物。事实上，垃圾收集的历史远远比Java久远，在1960年诞生于麻省理工学院的Lisp是第一门开始使用内存动态分配和垃圾收集技术的语言。

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回收三问

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哪些区域的内存需要回收？

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• Java 内存运行时区域的各个部分，特别是程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈这三个区域随线程而生、随线程而灭，而栈帧则在方法的进入和退出过程中执行出栈和入栈操作。这些区域的内存分配和回收是确定性的，因为在类结构确定时就已知每个栈帧分配的内存大小。
• 而对于 Java 堆和方法区则具有不确定性，因为接口的不同实现类和方法的不同条件分支可能需要不同的内存。只有在运行时才能确定程序会创建哪些对象以及创建多少个对象，因此这部分内存的分配和回收是动态的。垃圾收集器的主要任务是管理这部分内存的分配和回收。
• 通过垃圾回收，可以避免内存泄漏且大幅优化内存使用以减轻开发人员的负担，避免了手动管理内存的复杂性和错误。

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什么时候回收？

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内存回收的时机是由垃圾回收器（Garbage Collector）来决定的，而垃圾回收器的具体策略和时机会根据不同的实现而有所差异。一般情况下，以下几种情况会触发内存回收：

1. 对象不再被引用：当一个对象不再被任何活动的引用所引用时，它就成为垃圾对象。垃圾回收器会周期性地扫描内存，找出这些不再被引用的对象，并将它们标记为可回收的。这是最常见的回收时机。

2. 内存不足：当系统中的可用内存接近极限时，垃圾回收器会被触发来回收一些不再使用的对象，以释放内存空间。这种情况下的回收被称为压力驱动的回收。

3. 程序显式调用：在某些情况下，程序可以显式地调用垃圾回收器来进行内存回收。例如，在程序中使用 System.gc() 方法可以建议垃圾回收器执行回收操作，但并不能保证立即执行回收。

4. 程序空闲时：当程序处于空闲状态时，即没有活动的线程在运行，垃圾回收器可以利用这段时间来回收内存。例如，在 Java 中，当所有线程都处于等待状态或者没有活动时，垃圾回收器可能会被触发。

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如何回收？

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垃圾回收（Garbage Collection）是 JVM 自动管理内存的过程，它负责释放不再使用的对象所占用的内存空间，以便其他对象可以使用。垃圾回收器通过以下步骤来执行垃圾回收：

1. 标记（Marking）：垃圾回收器首先标记出所有仍然被活动对象引用的对象。
2. 垃圾扫描（Garbage Scanning）：垃圾回收器扫描堆内存，找到未被标记的对象，并将其标记为垃圾。
3. 垃圾回收（Garbage Collection）：垃圾回收器回收被标记为垃圾的对象所占用的内存空间，并将其释放。
4. 内存整理（Memory Compaction）：垃圾回收器对内存空间进行整理，将存活的对象向一端移动，以便为新对象分配连续的内存空间。

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确认存活

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引用计数法

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引用计数法是一种简单的垃圾回收算法：

• 在每个对象上维护一个引用计数器，记录着该对象的被引用数量。
• 当对象被引用时，引用计数器加 $1$；当引用失效时，引用计数器减 $1$。
• 当引用计数器为 $0$ 时，表示该对象不再被引用，即对象已经死亡。

垃圾回收器会定期扫描内存中的对象，将引用计数为 $0$ 的对象回收释放内存。

引用计数法无法解决循环引用的问题，即若存在两个或多个对象之间形成循环引用，它们的引用计数器永远不会为 $0$，导致这些对象无法被回收，造成内存泄漏。

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可达性分析

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可达性分析是一种更为常见和有效的垃圾回收算法：

• 通过判断对象是否可达来确定对象是否已经死亡。
• 从一组称为"根"的起始对象开始，通过对象之间的引用关系，逐个遍历对象，并标记可达的对象。
• 未被标记的对象即为不可达对象，即已经死亡。

垃圾回收器会将不可达对象进行回收释放内存。

可达性分析算法能够解决循环引用的问题，因为只有可达的对象能够被标记，形成循环引用的对象将无法被标记，最终被判定为不可达对象，从而被回收。

现代 JVM 一般采用可达性分析算法来进行垃圾回收。

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引用详解（重点）

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无论是通过引用计数算法判断对象的引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象是否引用链可达，判定对象是否存活都和“引用”离不开关系。

在 JDK1.2 版之前对象只有“被引用”和“未被引用”之分，在其之后进行了扩充，将引用分为了如下四种：

• 强引用（Strong Reference）：最常见的引用类型，通过强引用指向的对象，即使在内存紧张的情况下也不会被垃圾回收器回收。只有当强引用被显式地解除时，对象才会被回收。
• 软引用（Soft Reference）：软引用也是一种较强引用弱化的引用类型，比弱引用更强一些。当内存不足时，垃圾回收器会尽量保留软引用对象，只有在内存真正不足时才会回收。软引用通常用于实现内存敏感的高速缓存。在 JDK1.2 版之后提供了 SoftReference 类来实现软引用。
• 弱引用（Weak Reference）：弱引用是一种较强引用弱化的引用类型。当对象只被弱引用引用时，垃圾回收器可以在下一次回收时将其回收。弱引用通常用于实现缓存、观察者模式等场景。在 JDK1.2 版之后提供了 WeeakReference 类来实现弱引用。
• 虚引用（Phantom Reference）：虚引用是一种最弱的引用类型，几乎没有引用价值。虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态，无法通过虚引用来获取对象实例。虚引用通常用于管理直接内存。在 JDK1.2 版之后提供了 PhantomReference 类来实现虚引用。

我们提供如下示例代码进行验证：

public class TestReference {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个强引用对象
        Object hardReference = new Object();

        // 创建一个软引用对象
        SoftReference<Object> softReference = new SoftReference<>(new Object());

        // 创建一个弱引用对象
        WeakReference<Object> weakReference = new WeakReference<>(new Object());

        // 创建一个弱引用对象，并将其引用赋给一个强引用变量
        WeakReference<Object> weakUseReference = new WeakReference<>(new Object());
        Object hardUseReference = weakUseReference.get();

//        WeakReference