Java垃圾回收机制

一、概述

　　上一篇文章Java内存模型提到虚拟机所管理的内存主要包括以下几个区域：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、方法区和堆。其中前三个区域随线程而生死，这些区域的内存分配和回收都具有确定性。而堆和方法区则具有不确定性，只有程序处于运行期间才能知道会创建哪些对象，本文主要讨论这两个部分内存的回收。

二、Java内存管理

　　Java的内存管理就是对象的分配和释放问题。在Java中，通过关键字new为每个对象申请内存空间（基本类型除外），所有的对象都是在堆中分配空间，对象的释放是由GC(Gabage Collection)决定和执行的。这种机制简化了程序员工作的同时，也加重的虚拟机的负荷，是Java程序运行速度较慢的原因之一。

　　我们可以将对象考虑为有向图的顶点，将引用关系考虑为图的有向边，有向边从引用者指向被引对象，另外每一个线程对象可以作为一个图的起始顶点，例如大多数程序从main进程开始执行，那么该图就是以main进程顶点开始的一棵根树。在这个有向图中，根节点可达的对象都是有效对象，GC将不回收这些对象，如果某个对象与这个根节点不可达，那么我们认为这个对象不再被引用，可以被GC回收。eg:

class Demo
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Object o1=new Object();
        
        Object o2=new Object();
        
        o2=o1;
    }
}

三、什么是内存泄露

　　在Java中，内存泄漏就是存在一些被分配的对象，这些对象有下面两个特点，首先，这些对象是可达的，即在有向图中，存在通路可以与其相连；其次，这些对象是无用的，即程序以后不会再使用这些对象。如果对象满足这两个条件，这些对象就可以判定为Java中的内存泄漏，这些对象不会被GC所回收，然而它却占用内存。下面是一个内存泄露的示例：

Vector v=new Vector(10);
for (int i=1;i<100; i++)
   {
      Object o=new Object();
      v.add(o);
      o=null;    
   }

　　我们循环申请Object对象，并将所申请的对象放入一个Vector中，如果我们仅仅释放引用本身，那么Vector仍然引用该对象，所以这个对象对GC来说是不可回收的。因此，如果对象加入到Vector后，还必须从Vector中删除，最简单的方法就是将Vector对象设置为null。

　　常用的内存泄露工具包括工具包括Optimizeit Profiler，JProbe Profiler，JinSight , Rational 公司的Purify等。

四、垃圾回收机制

　　1、垃圾的判断标准

　　引用计数法：给对象中添加一个引用计数器，每当一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

　　主流的Java虚拟机并没有选用上述方法来管理内存，主要原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

　　一个简单的循环引用问题描述如下：有对象 A 和对象 B，对象 A 中含有对象 B 的引用，对象 B 中含有对象 A 的引用。此时，对象 A 和对象 B 的引用计数器都不为 0。但是在系统中却不存在任何第 3 个对象引用了 A 或 B。也就是说，A 和 B 是应该被回收的垃圾对象，但由于垃圾对象间相互引用，从而使垃圾回收器无法识别，引起内存泄漏。

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;
        
    }
}

　　可达性分析法：主流的商用语言都用可达性分析算法来判定对象是否存活。基本的思路是通过一系列的称为“GC　Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为“引用链”，当一个对象到GC　Roots没有任何引用链相连时(即GC　Roots到这个对象不可达)，则证明此对象是不可用的。

　　在Java中，可以作为GC　Roots的对象包括：

• 虚拟机栈中引用的对象；
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈中JNI引用的对象

 　　要真正宣告一个对象死亡，至少要经过两次标记过程：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并并且进行第一次筛选，筛选的方法是此对象是否有必要执行finalize()方法（当对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将视为没有必要执行），如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法，那么这个对象就会被放置在一个叫做F-dequeu的队列中，并稍后由一个低优先级的线程去执行它。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-dequeu中的对象进行第二次标记。

　　2、垃圾收集算法

　　标记-清除算法：算法分为标记和清除两个阶段，首先标记所有需要回收的对象，在标记完成以后统一回收所有被标记的对象。

　　这种算法有两个问题，一个效率过低，另一个是空间问题，标记清除后产生大量不连续的内存碎片，导致以后程序运行过程中无法找到足够的连续内存。

　　复制算法：这中算法将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每一次只使用其中的一块，当这一块的内存使用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上去，然后再将已使用过的内存空间一次清理掉。

　　Java 的新生代串行垃圾回收器中使用了复制算法的思想。新生代分为 Eden 空间、From 空间、To 空间 3 个部分。其中 From 空间和 To 空间可以视为用于复制的两块大小相同、地位相等，且可进行角色互换的空间块。From 和 To 空间也称为 survivor 空间，即幸存者空间，用于存放未被回收的对象。

　　在垃圾回收时，Eden 空间中的存活对象会被复制到未使用的 survivor 空间中 (假设是 to)，正在使用的 survivor 空间 (假设是 from) 中的年轻对象也会被复制到 to 空间中 (大对象，或者老年对象会直接进入老年带，如果 to 空间已满，则对象也会直接进入老年代)。此时，Eden 空间和 From 空间中的剩余对象就是垃圾对象，可以直接清空，To 空间则存放此次回收后的存活对象。这种改进的复制算法既保证了空间的连续性，又避免了大量的内存空间浪费。

　　标记-整理算法：标记过程与标记-清除算法一样，后续则是将所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

　　分代收集算法：根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，一般是将对划为新生代和老年代，这样可以根据各个年代的特点采用使用的收集算法，在新生代中每次垃圾都发现大批对象死去，就采用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。

 　　参考文献：

　　1、深入理解Java虚拟机，周志明，机械工业出版社

　　2、https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-JVMGarbageCollection/