Java垃圾回收（GC）机制

一、为什么要垃圾回收

如果不进行垃圾回收，内存迟早都会被消耗空，因为我们在不断的分配内存空间而不进行回收。除非内存无限大，我们可以任性的分配而不回收，但是事实并非如此。所以，垃圾回收是必须的。

哪些内存需要回收？

哪些内存需要回收是垃圾回收机制第一个要考虑的问题，所谓“要回收的垃圾”无非就是那些不可能再被任何途径使用的对象。那么如何找到这些对象？（如何判断一个对象是否可以被回收）

二、如何判断一个对象是否可以被回收

2.1、引用技术算法

这个算法的实现是，给对象中添加一个引用计数器，每当一个地方引用这个对象时，计数器值+1；当引用失效时，计数器值-1。任何时刻计数值为0的对象就是不可能再被使用的。引用计数为 0 的对象可被回收。正因为循环引用的存在，因此 Java 虚拟机不使用引用计数算法。

package com.baidu.GC;

public class ReferenceCountingGC {

    private Object instance = null;
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    /** 这个成员属性唯一的作用就是占用一点内存 */
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGC objectA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objectB = new ReferenceCountingGC();
        objectA.instance = objectB;
        objectB.instance = objectA;
        objectA = null;
        objectB = null;

        System.gc();
    }
}

2.2、可达性分析算法

通过 GC Roots 作为起始点进行搜索，从这些节点向下搜索，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（即GC Roots到对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。能够到达到的对象都是存活的，不可达的对象可被回收。

那么问题又来了，如何选取GC Roots对象呢？在Java语言中，可以作为GC Roots的对象包括下面几种：
1、虚拟机栈（栈帧中的局部变量区，也叫做局部变量表）中引用的对象。
2、本地方法栈中JNI(Native方法)引用的对象。
3、方法区中的类静态属性引用的对象。
4、 方法区中常量引用的对象。

下面给出一个GCRoots的例子，如下图，为GCRoots的引用链。

由图可知，obj8、obj9、obj10都没有到GCRoots对象的引用链，即便obj9和obj10之间有引用链，他们还是会被当成垃圾处理，可以进行回收。

2.3、方法区的回收

因为方法区主要存放永久代对象，而永久代对象的回收率比新生代低很多，因此在方法区上进行回收性价比不高。
主要是对常量池的回收和对类的卸载。

2.4、finalsize()

finalize() 类似 C++ 的析构函数，用来做关闭外部资源等工作。但是 try-finally 等方式可以做的更好，并且该方法运行代价高昂，不确定性大，无法保证各个对象的调用顺序，因此最好不要使用。

当一个对象可被回收时，如果需要执行该对象的 finalize() 方法，那么就有可能通过在该方法中让对象重新被引用，从而实现自救。自救只能进行一次，如果回收的对象之前调用了 finalize() 方法自救，后面回收时不会调用 finalize() 方法。

三、四种引用状态

3.1、强引用

被强引用关联的对象不会被回收。使用 new 一个新对象的方式来创建强引用。

3.2、软引用

被软引用关联的对象只有在内存不够的情况下才会被回收。使用 SoftReference 类来创建软引用。

3.3、弱引用

被弱引用关联的对象一定会被回收，也就是说它只能存活到下一次垃圾回收发生之前。
使用 WeakReference 类来实现弱引用。

3.4、虚引用

又称为幽灵引用或者幻影引用。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用取得一个对象。为一个对象设置虚引用关的唯一目的就是能在这个对象被回收时收到一个系统通知。

使用 PhantomReference 来实现虚引用。

四、垃圾回收算法

4.1、标记-清除（Mark-Sweep）算法

将存活的对象进行标记，然后清理掉未被标记的对象。

不足:
1、标记和清除过程效率都不高；
2、会产生大量不连续的内存碎片，导致无法给大对象分配内存

4.2、标记-整理（Mark-Compact）算法

让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

4.3、复制（Copying）算法

将内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块，当这一块内存用完了就将还存活的对象复制到另一块上面，然后再把使用过的内存空间进行一次清理。

主要不足是只使用了内存的一半。

现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代，但是并不是将新生代划分为大小相等的两块，而是分为一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间，每次使用 Eden 空间和其中一块 Survivor。在回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活着的对象一次性复制到另一块 Survivor 空间上，最后清理 Eden 和使用过的那一块 Survivor。

HotSpot 虚拟机的 Eden 和 Survivor 的大小比例默认为 8:1，保证了内存的利用率达到 90%。如果每次回收有多于 10% 的对象存活，那么一块 Survivor 空间就不够用了，此时需要依赖于老年代进行分配担保，也就是借用老年代的空间存储放不下的对象

4.4、分代收集

现在的商业虚拟机采用分代收集算法，它根据对象存活周期将内存划分为几块，不同块采用适当的收集算法。

一般将堆分为新生代和老年代。

• 新生代使用: 大批对象死去、少量对象存活的（新生代），使用复制算法，复制成本低；
• 老年代使用: 对象存活率高、没有额外空间进行分配担保的（老年代），采用标记-清理算法或者标记-整理算法。

五、垃圾收集器

7个垃圾收集器

以上是 HotSpot 虚拟机中的 7 个垃圾收集器，连线表示垃圾收集器可以配合使用。

• 单线程与多线程: 单线程指的是垃圾收集器只使用一个线程进行收集，而多线程使用多个线程；
• 串行与并行: 串行指的是垃圾收集器与用户程序交替执行，这意味着在执行垃圾收集的时候需要停顿用户程序；并形指的是垃圾收集器和用户程序同时执行。除了 CMS 和 G1 之外，其它垃圾收集器都是以串行的方式执行。

https://www.cnblogs.com/super-jing/p/10795099.html

垃圾回收器G1 详解
https://www.pdai.tech/md/java/jvm/java-jvm-gc-g1.html

六、内存分配与回收机制

6.1、Minor GC 和 Full GC

Minor GC 和 Full GC

Minor GC: 发生在新生代上，因为新生代对象存活时间很短，因此 Minor GC 会频繁执行，执行的速度一般也会比较快。

Full GC: 发生在老年代上，老年代对象其存活时间长，因此 Full GC 很少执行，执行速度会比 Minor GC 慢很多。

6.2、内存分配策略

2.1、对象优先在Eden分配
大多数情况下，对象在新生代 Eden 区分配，当 Eden 区空间不够时，发起 Minor GC。

2.2、大对象直接进入老年代
大对象是指需要连续内存空间的对象，最典型的大对象是那种很长的字符串以及数组。
经常出现大对象会提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间分配给大对象。
-XX:PretenureSizeThreshold，大于此值的对象直接在老年代分配，避免在 Eden 区和 Survivor 区之间的大量内存复制。

2.3、长期存活的对象进入老年代
为对象定义年龄计数器，对象在 Eden 出生并经过 Minor GC 依然存活，将移动到 Survivor 中，年龄就增加 1 岁，增加到一定年龄则移动到老年代中。
-XX:MaxTenuringThreshold 用来定义年龄的阈值。

6.3、Full GC的触发条件

对于 Minor GC，其触发条件非常简单，当 Eden 空间满时，就将触发一次 Minor GC。而 Full GC 则相对复杂，有以下条件

3.1、调用 System.gc()
只是建议虚拟机执行 Full GC，但是虚拟机不一定真正去执行。不建议使用这种方式，而是让虚拟机管理内存

3.2、 老年代空间不足
老年代空间不足的常见场景为前文所讲的大对象直接进入老年代、长期存活的对象进入老年代等。
为了避免以上原因引起的 Full GC，应当尽量不要创建过大的对象以及数组。除此之外，可以通过 -Xmn 虚拟机参数调大新生代的大小，让对象尽量在新生代被回收掉，不进入老年代。还可以通过 -XX:MaxTenuringThreshold 调大对象进入老年代的年龄，让对象在新生代多存活一段时间

3.3、JDK 1.7 及以前的永久代空间不足
在 JDK 1.7 及以前，HotSpot 虚拟机中的方法区是用永久代实现的，永久代中存放的为一些 Class 的信息、常量、静态变量等数据。
当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，永久代可能会被占满，在未配置为采用 CMS GC 的情况下也会执行 Full GC。如果经过 Full GC 仍然回收不了，那么虚拟机会抛出 java.lang.OutOfMemoryError。
为避免以上原因引起的 Full GC，可采用的方法为增大永久代空间或转为使用 CMS GC