深入理解 Java 内存回收机制

JVM 通过 GC（Garbage Collection，垃圾回收器）来回收堆和方法区中的内存，这个过程是自动执行的。说到 Java GC 机制，其主要完成 3 件事：确定哪些内存需要回收；确定什么时候需要执行 GC；如何执行 GC。JVM 主要采用回收器的方式实现 GC，主要的回收器有引用计数回收器和跟踪回收器。

一、引用计数回收器

（1）引用计数器采用分散式管理方式，通过计数器记录对象是否被引用。当计数器为 0 时，说明此对象已经不再被使用，可进行回收。如图所示：

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（2）引用计数器需要在每次对象赋值时进行引用计数器的增减，所以有一定消耗。另外，引用计数器对于循环引用的场景没有办法实现回收。例如在上面的例子中，如果 Object_2 和 Object_3 互相引用，那么即使 Object_1 释放了对 Object_2 和 Object_3 的引用，也无法回收 Object_2、Object_3，因此对于 java 这种会形成复杂引用关系的语言而言，引用计数器是非常不适合的。

二、跟踪回收器

跟踪收集器采用的是集中式的管理方式，会全局记录数据引用的状态。它基于特定的触发条件（例如定时、空间不足时），执行时需要从根集合来扫描对象的引用关系，这可能会造成应用程序暂停。主要有复制（Copying）、标记 - 清除（Mark-Sweep）和标记 - 压缩（Mark-Compact）三种实现算法。
1. 复制（Copying）
复制采用的方式为从根集合扫描出存活的对象，并将找到的存活对象复制到一块新的完全未被使用的空间中，如图所示：

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复制收集器方式仅需要从根集合扫描所有存活对象，当要回收的空间中存活对象较少时，复制算法会比较高效（年轻代的 Eden 区就是采用这个算法），其带来的成本是增加一块空的内存空间以及需要进行对象的移动。

2. 标记 - 清除（marking-delete）
标记 - 清除采用的方式是从根集合开始扫描，对存活的对象进行标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未标记的对象，并进行清除，标记和清除过程如下图所示：

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上图中蓝色的部分是有被引用的存活的对象，褐色部分没被引用的可回收的对象。在标记阶段为了标记对象，所有的对象都会被扫描一遍，扫描的过程是比较耗时的。

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清除阶段回收的是没有被引用的对象，存活的对象被保留。内存分配器会持有空闲空间的引用列表，当有分配请求时会查询空闲空间引用列表进行分配。标记 - 清除动作不需要进行对象移动，只需要对不存活的对象进行处理。在空间中存活对象较多的情况下较为高效，但由于标记 - 清除直接回收不存活对象占用的内存，因此会造成内存碎片。

3. 标记 - 压缩（Mark-Compact）
标记 - 压缩和标记 - 清除一样，是对活的对象进行标记，但是在清除后的处理不一样，标记 - 压缩在清除对象占用的内存后，会把所有活的对象向左端空闲空间移动，然后再更新引用其对象的指针，如下图所示：

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很明显，标记 - 压缩在标记 - 清除的基础上对存活的对象进行了移动规整动作，解决了内存碎片问题，得到更多连续的内存空间以提高分配效率，但由于需要对对象进行移动，因此成本也比较高。

4. 分代式垃圾回收

分代收集算法是目前大部分 JVM 的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是是分而治之，根据对象存活的生命周期将内存划分为若干个不同的区域，再根据不同区域的特点来具体选择合适的垃圾回收方案。一般情况下，根据对象易产生垃圾的状态或者对象的大小，将堆区划分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation）。堆内存分代策略如图所示。

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（1）新生代也称 Young 区。新生代划分为一块较大的 Eden 空间（伊甸园）和 Survivor 空间（幸存者区）。eden 区也称伊甸园（《圣经》中亚当和夏娃出生的地方），很形象的比喻对象的出生地点，全部的新生对象都会出现在 eden 区。在 Survivor 幸存者空间中又分为 from 和 to 两块 (也称为 s0 和 s1)，用于相互复制对象来进行垃圾清理。新生代的绝大部分对象有朝生熄灭的特点，存活率很低，每次垃圾回收时都有大量的对象需要被回收。目前大部分垃圾收集器对于新生代都采取复制回收算法，因为新生代中的对象创建时间不长，更新比较快。每次垃圾回收都要回收大部分对象，也就是说需要复制的操作次数较少。当进行回收时，将 Eden 和其中一块 Survivor 中还存活的对象复制到另一块 Survivor 空间中，然后清理掉 Eden 和刚才使用过的 Survivor 空间，如此循环下去。

（2）老年代也称 Old 区。老年代存放的是一些 “大对象” 以及新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象。老年代中对象的生命周期较长，对象存活率较高。每次垃圾收集时只有少量对象需要被回收，产生垃圾少。针对这种情况，使用标记 - 压缩算法回收效率比较高。

（3）持久代也称 Permanent 区或方法区。存储类信息、常量、静态变量以及方法描述等信息。相对而言，垃圾回收行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了持久代就可以永久存在。对永久代的回收主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。

（4）分代垃圾回收过程如图所示

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