前言

前面介紹了Java內(nèi)存運行時區(qū)域，其中程序計數(shù)器、虛擬機棧、本地方法棧三個區(qū)域隨線程而生，隨線程而滅；棧中的棧幀隨著方法的進入和退出而有條不紊地執(zhí)行著出棧和入棧操作。每一個棧幀中分配多少內(nèi)存基本上是在類結(jié)構(gòu)確定下來時就已知的，因此這幾個區(qū)域的內(nèi)存分配和回收都具備確定性。在這幾個區(qū)域內(nèi)不需要過多考慮回收的問題，因為方法結(jié)束或線程結(jié)束時，內(nèi)存自然就跟隨著回收了。

Java堆和方法區(qū)則不一樣，一個接口中的多個實現(xiàn)類需要的內(nèi)存可能不一樣，一個方法中的多個分支需要的內(nèi)存也可能不一樣。我們只有在程序處于運行期間時才能知道會創(chuàng)建哪些對象，這部分內(nèi)存的分配和回收都是動態(tài)的，垃圾收集器所關注的是這部分內(nèi)存。

正文

(一). 對象生死判定

如何判斷Java中一個對象應該“存活”還是“死去”，這是 垃圾回收器要做的第一件事。

1. 引用計數(shù)算法

Java堆中每個具體對象（不是引用）都有一個引用計數(shù)器。當一個對象被創(chuàng)建并初始化賦值后，該變量計數(shù)設置為1。每當有一個地方引用它時，計數(shù)器值就加1。當引用失效時，即一個對象的某個引用超過了生命周期（出作用域后）或者被設置為一個新值時，計數(shù)器值就減1。任何引用計數(shù)為0的對象可以被當作垃圾收集。當一個對象被垃圾收集時，它引用的任何對象計數(shù)減1。

優(yōu)點：

引用計數(shù)收集器執(zhí)行簡單，判定效率高，交織在程序運行中。對程序不被長時間打斷的實時環(huán)境比較有利。

缺點：

難以檢測出對象之間的循環(huán)引用。同時，引用計數(shù)器增加了程序執(zhí)行的開銷。所以Java語言并沒有選擇這種算法進行垃圾回收。

2. 可達性分析算法

可達性分析算法也叫根搜索算法，通過一系列的稱為GC Roots的對象作為起點，然后向下搜索。搜索所走過的路徑稱為引用鏈 （Reference Chain）， 當一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時, 即該對象不可達，也就說明此對象是不可用的。

如下圖所示:Object5、Object6、Object7雖然互有關聯(lián), 但它們到GC Roots是不可達的, 因此也會被判定為可回收的對象。

GC根對象

在Java中, 可作為GC Roots的對象包括以下四種：

虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
本地方法棧中JNI（Native方法）引用的變量
方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的變量
方法區(qū)中常量引用的變量

JVM中用到的所有現(xiàn)代GC算法在回收前都會先找出所有仍存活的對象。可達性分析算法是從離散數(shù)學中的圖論引入的，程序把所有的引用關系看作一張圖。下圖展示的JVM中的內(nèi)存布局可以用來很好地闡釋這一概念：

(二). 對象引用分類

1. 強引用(Strong Reference)

在代碼中普遍存在的，類似Object obj = new Object()這類引用，只要強引用還在，垃圾收集器永遠不會回收掉被引用的對象。

2. 軟引用(Sofe Reference)

有用但并非必需的對象，可用SoftReference類來實現(xiàn)軟引用。在系統(tǒng)將要發(fā)生內(nèi)存溢出異常之前，將會把這些對象列進回收范圍之中進行二次回收。如果這次回收還沒有足夠的內(nèi)存，才會拋出內(nèi)存溢出異常。

3. 弱引用(Weak Reference)

非必需的對象，但它的強度比軟引用更弱，被弱引用關聯(lián)的對象只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生之前，JDK提供了WeakReference類來實現(xiàn)弱引用。無論當前內(nèi)存是否足夠，用軟引用相關聯(lián)的對象都會被回收掉。

4. 虛引用(Phantom Reference)

虛引用也稱為幽靈引用或幻影引用，是最弱的一種引用關系，JDK提供了PhantomReference類來實現(xiàn)虛引用。為一個對象設置虛引用的唯一目的是：能在這個對象在垃圾回收器回收時收到一個系統(tǒng)通知。

(三). finalize()二次標記

一個對象是否應該在垃圾回收器在GC時回收，至少要經(jīng)歷兩次標記過程。

第一次標記過程

通過可達性分析算法分析對象是否與GC Roots可達。經(jīng)過第一次標記，并且被篩選為不可達的對象會進行第二次標記。

第二次標記過程

判斷不可達對象是否有必要執(zhí)行finalize方法。執(zhí)行條件是當前對象的finalize方法被重寫，并且還未被系統(tǒng)調(diào)用過。如果允許執(zhí)行那么這個對象將會被放到一個叫F-Query的隊列中，等待被執(zhí)行。

注意：由于finalize由一個優(yōu)先級比較低的Finalizer線程運行，所以該對象的的finalize方法不一定被執(zhí)行，即使被執(zhí)行了，也不保證finalize方法一定會執(zhí)行完。如果對象第二次小規(guī)模標記，即finalize方法中拯救自己，只需要重新和引用鏈上的任一對象建立關聯(lián)即可。

(四). 垃圾回收算法

本節(jié)具體介紹一下各種垃圾回收算法的思想：

1. 標記-清除算法

標記-清除算法對根集合進行掃描，對存活的對象進行標記。標記完成后，再對整個空間內(nèi)未被標記的對象掃描，進行回收。

1.1. 標記階段

標記階段，通過根節(jié)點，標記所有從根節(jié)點開始的可達對象，未標記過的對象就是未被引用的垃圾對象。

1.2. 清除階段

清除階段，清除所有未被標記的對象。

優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，不需要進行對象進行移動。

缺點：標記、清除過程效率低，產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，提高了垃圾回收的頻率。

2. 復制算法

這種收集算法解決了標記清除算法存在的效率問題。它將內(nèi)存區(qū)域劃分成相同的兩個內(nèi)存塊。每次僅使用一半的空間，JVM生成的新對象放在一半空間中。當一半空間用完時進行GC，把可到達對象復制到另一半空間，然后把使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。

優(yōu)點：按順序分配內(nèi)存即可，實現(xiàn)簡單、運行高效，不用考慮內(nèi)存碎片。

缺點：可用的內(nèi)存大小縮小為原來的一半，對象存活率高時會頻繁進行復制。

3. 標記-整理算法

標記-整理算法采用和標記-清除算法一樣的方式進行對象的標記，但后續(xù)不直接對可回收對象進行清理，而是將所有的存活對象往一端空閑空間移動，然后清理掉端邊界以外的內(nèi)存空間。

優(yōu)點：解決了標記-清理算法存在的內(nèi)存碎片問題。

缺點：仍需要進行局部對象移動，一定程度上降低了效率。

4. 分代收集算法

當前商業(yè)虛擬機都采用分代收集的垃圾收集算法。分代收集算法，顧名思義是根據(jù)對象的存活周期將內(nèi)存劃分為幾塊。一般包括年輕代、老年代和永久代，如圖所示：

新生代（Young generation）

絕大多數(shù)最新被創(chuàng)建的對象會被分配到這里，由于大部分對象在創(chuàng)建后會很快變得不可達，所以很多對象被創(chuàng)建在新生代，然后消失。對象從這個區(qū)域消失的過程我們稱之為minor GC。

新生代中存在一個Eden區(qū)和兩個Survivor區(qū)。新對象會首先分配在Eden中（如果新對象過大，會直接分配在老年代中）。在GC中，Eden中的對象會被移動到Survivor中，直至對象滿足一定的年紀（定義為熬過GC的次數(shù)），會被移動到老年代。

可以設置新生代和老年代的相對大小。這種方式的優(yōu)點是新生代大小會隨著整個堆大小動態(tài)擴展。參數(shù)-XX:NewRatio設置老年代與新生代的比例。例如-XX:NewRatio=8指定老年代/新生代為8/1.老年代占堆大小的7/8，新生代占堆大小的1/8（默認即是1/8）。

例如：

1

-XX:NewSize=64m -XX:MaxNewSize=1024m -XX:NewRatio=8

老年代（Old generation）

對象沒有變得不可達，并且從新生代中存活下來，會被拷貝到這里。其所占用的空間要比新生代多。也正由于其相對較大的空間，發(fā)生在老年代上的GC要比新生代要少得多。對象從老年代中消失的過程，可以稱之為major GC（或者full GC）。

永久代（permanent generation）

像一些類的層級信息，方法數(shù)據(jù)和方法信息（如字節(jié)碼，棧和變量大小），運行時常量池（JDK7之后移出永久代），已確定的符號引用和虛方法表等等。它們幾乎都是靜態(tài)的并且很少被卸載和回收，在JDK8之前的HotSpot虛擬機中，類的這些永久的數(shù)據(jù)存放在一個叫做永久代的區(qū)域。

永久代是一段連續(xù)的內(nèi)存空間，我們在JVM啟動之前可以通過設置-XX:MaxPermSize的值來控制永久代的大小。但是JDK8之后取消了永久代，這些元數(shù)據(jù)被移到了一個與堆不相連的稱為元空間(Metaspace) 的本地內(nèi)存區(qū)域。

小結(jié)

JDK8堆內(nèi)存一般是劃分為年輕代和老年代，不同年代根據(jù)自身特性采用不同的垃圾收集算法。

對于新生代，每次GC時都有大量的對象死亡，只有少量對象存活。考慮到復制成本低，適合采用復制算法。因此有了From Survivor和To Survivor區(qū)域。

對于老年代，因為對象存活率高，沒有額外的內(nèi)存空間對它進行擔保。因而適合采用標記-清理算法和標記-整理算法進行回收。

參考

周志明，深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐，機械工業(yè)出版社

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的JVM系列(四)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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