一文看懂JVM垃圾回收机制

垃圾回收需要完成的三件事情

1. 哪些内存需要回收？
2. 什么时候回收？
3. 如何回收？

1. 如何判断对象是否存活

在堆里面存放着 Java 世界中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，首先就要确定对象的存活状态

1.1 对象存活算法

1.1.1 引用计数算法（Reference Counting）

在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加一；当引用失效时，计数器值就减一；任何时刻计数器为零的对象就是不可能再被使用的

引用计数算法虽然占用了一些额外的内存空间来进行计数，但它的原理简单，判定效率也很高，在大多数情况下它都是一个不错的算法

循环引用

这个看似简单的算法有很多例外情况要考虑，必须要配合大量额外处理才能保证正确地工作，譬如单纯的引用计数就很难解决对象之间相互循环引用的问题

public class ReferenceCountingGC {

    public Object instance = null;

    public static void testGC() {
        ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;
        objA = null;
        objB = null;
    }
}

除了两个对象互相引用外，这两个对象再无任何引用，实际上这两个对象已经不可能再被访问，但是它们因为互相引用着对方，导致它们的引用计数都不为零，引用计数算法也就无法回收它们

1.1.2 可达性分析算法（Reachability Analysis）

通过一系列称为 GC Roots 的根对象作为起点，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径称为引用链（Reference Chain），如果某个对象到 GC Roots 间没有任何引用链相连，则证明此对象是不可能再被使用的

深入理解Java虚拟机（第3版） - 图3-1 利用可达性分析算法判定对象是否可回收

可作为 GC Roots 的对象

• 在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
• 在方法区中类静态属性引用的对象
• 在方法区中常量引用的对象
• 在本地方法栈中 JNI（即通常所说的 Native 方法）引用的对象
• Java虚拟机内部的引用
  • 如基本数据类型对应的 Class 对象，一些常驻的异常对象（NullPointExcepiton、OutOfMemoryError）等，还有系统类加载器
• 所有被同步锁（synchronized 关键字）持有的对象
• 反映 Java 虚拟机内部情况的 JMXBean、JVMTI 中注册的回调、本地代码缓存等

除了这些固定的 GC Roots 集合以外，根据用户所选用的垃圾收集器以及当前回收的内存区域不同，还可以有其他对象临时性地加入，共同构成完整 GC Roots 集合

1.2 缓刑阶段

即使在可达性分析算法中判定为不可达的对象，也不是非死不可的，这时候它们暂时还处于缓刑阶段

要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程

1. 如果对象在进行可达性分析后发现没有与 GC Roots 相连接的引用链，那它将会被第一次标记，随后进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。假如对象没有覆盖 finalize 方法，或者 finalize 方法已经被虚拟机调用过，那么虚拟机将这两种情况都视为没有必要执行
2. 如果这个对象被判定为确有必要执行 finalize 方法，那么该对象将会被放置在一个队列中进行第二次标记，如果对象要在 finalize 方法中成功拯救自己，只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可

1.2.1 finalize 方法

对象逃脱死刑的最后机会，当垃圾收集器发现一个对象实例没有任何的引用与之关联，在准备执行垃圾回收之前该方法才会被调用，且 所有对象的 finalize 方法都只会被系统自动调用一次

public class Test {

    private static Test test;

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("execute finalize");
        test = this;
    }

    private static void print(Test t) {
        if (t == null) {
            System.out.println("dead!!!");
        } else {
            System.out.println("alive...");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        test = new Test();

        // 第一次成功自救
        test = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500);
        print(test);

        // 第二次自救失败
        test = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500);
        print(test);
    }
}

• 执行结果

execute finalize
alive...
dead!!!

1.3 引用

在 JDK1.2 版之前，Java 里面的引用是很传统的定义：如果 reference 类型的数据中存储的数值代表的是另外一块内存的起始地址，就称该 reference 数据是代表某块内存、某个对象的引用

为了实现对象在内存空间足够时，能保留在内存之中，如果内存空间在进行垃圾收集后仍然非常紧张，可以自动舍弃。在 JDK1.2 版之后，Java 对引用的概念进行了扩充

1.3.1 强引用（Strongly Reference）

最传统的引用的定义，是指在程序代码之中普遍存在的引用赋值。无论任何情况下，只要强引用关系还存在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象

Test test = new Test();

1.3.2 软引用（Soft Reference）

描述一些还有用，但非必须的对象。只被软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常前，会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收，如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常

Reference