初識(shí)垃圾回收
翻譯原文 => plumbr Java GC handbook
乍一看穿仪，垃圾回收所做的事情應(yīng)當(dāng)恰如其名——查找并清除垃圾。事實(shí)上卻恰恰相反意荤。垃圾回收是用來跟蹤所有仍在使用的對(duì)象啊片，然后將剩余的對(duì)象標(biāo)記為垃圾。牢記了這點(diǎn)之后玖像，我們?cè)賮砀由钊氲亓私庀逻@個(gè)被稱為“垃圾回收”的自動(dòng)化內(nèi)存回收在Java虛擬機(jī)中到底是如何實(shí)現(xiàn)的紫谷。
在介紹細(xì)節(jié)之前，我們從介紹垃圾回收的基本特性捐寥，核心概念和實(shí)現(xiàn)方法等這些基礎(chǔ)知識(shí)開始笤昨。
注意：這些內(nèi)容是基于Oracle的Hotspot和OpenJDK的實(shí)現(xiàn)來介紹的，在其他的其他的運(yùn)行時(shí)或者JVM版本握恳，比如JRockit或者IBM J9上瞒窒，本文所描述有些方面會(huì)完全不適用
手動(dòng)管理內(nèi)存
在介紹現(xiàn)代版的垃圾回收之前，我們先來簡(jiǎn)單地回顧下需要手動(dòng)地顯式分配及釋放內(nèi)存的那些日子乡洼。如果你忘了去釋放內(nèi)存崇裁，那么這塊內(nèi)存就無法重用了匕坯。這塊內(nèi)存被占有了卻沒被使用。這種場(chǎng)景被稱之為內(nèi)存泄露拔稳。
下面是用C寫的一個(gè)手動(dòng)管理內(nèi)存的簡(jiǎn)單例子：
int send_request() {
size_t n = read_size();
int *elements = malloc(n * sizeof(int));
if(read_elements(n, elements) < n) {
// elements not freed!
return -1;
}
// …
free(elements)
return 0;
}
有過C語言經(jīng)驗(yàn)的人可以深刻的體會(huì)到葛峻，你很容易就會(huì)忘了釋放內(nèi)存。內(nèi)存泄露曾經(jīng)是個(gè)非常普遍的問題巴比。你只能通過不斷地修復(fù)自己的代碼來與它們進(jìn)行抗?fàn)幣⑶浮Ｒ虼耍枰幸环N更優(yōu)雅的方式來自動(dòng)釋放無用內(nèi)存匿辩，從而消除人為錯(cuò)誤的可能性腰耙。這種自動(dòng)化過程被稱為垃圾回收（簡(jiǎn)稱GC）。
智能指針
自動(dòng)垃圾回收早期的一種實(shí)現(xiàn)便是通過析構(gòu)器铲球。例如挺庞，我們?cè)贑++里面可以通過使用vector來做同樣的事情，當(dāng)vector對(duì)象離開作用域時(shí)稼病，vector的析構(gòu)器會(huì)被自動(dòng)調(diào)用以回收內(nèi)存选侨。
int send_request() {
size_t n = read_size();
vector<int> elements = vector<int>(n);
if(read_elements(elements.size(), &elements[0]) < n) {
return -1;
}
return 0;
}
但是在更復(fù)雜的情況下，特別是在多線程之間共享對(duì)象時(shí)然走，僅僅依賴析構(gòu)器是無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)內(nèi)存回收的援制。這個(gè)時(shí)候，引用計(jì)數(shù)技術(shù)作為最簡(jiǎn)單的垃圾回收器應(yīng)運(yùn)而生芍瑞。對(duì)于每個(gè)對(duì)象晨仑，你知曉它被引用了幾次，當(dāng)計(jì)數(shù)器歸零時(shí)拆檬，這個(gè)對(duì)象就可以被安全地回收掉了洪己。C++的共享指針就是一個(gè)非常著名的例子：
int send_request() {
size_t n = read_size();
auto elements = make_shared<vector<int>>();
// read elements
store_in_cache(elements);
// process elements further
return 0;
}
現(xiàn)在，為了避免在下次該函數(shù)被調(diào)用時(shí)竟贯，重新讀取元素答捕，我們可能希望把這些元素緩存起來。在這種情況下屑那，當(dāng)該vector對(duì)象離開作用域時(shí)是不能銷毀該vector對(duì)象的拱镐。因此我們可以使用共享指針，它會(huì)記錄這個(gè)對(duì)象被引用的次數(shù)持际。如果你將它傳遞給別人則計(jì)數(shù)加一沃琅，當(dāng)它離開了作用域后便會(huì)減一。一旦這個(gè)計(jì)數(shù)為零选酗，共享指針會(huì)自動(dòng)地刪除底層對(duì)應(yīng)的vector阵难。
自動(dòng)內(nèi)存管理
在上面的C++代碼中，我們還得顯式地聲明我們需要使用內(nèi)存管理芒填。那如果所有的對(duì)象都采用這個(gè)機(jī)制會(huì)怎樣呢呜叫？那簡(jiǎn)直就太方便了空繁，這樣開發(fā)人員便無需考慮清理內(nèi)存的事情了。運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)知曉哪些內(nèi)存不再使用了朱庆，然后釋放掉它盛泡。也就是說，它自動(dòng)地回收了這些垃圾娱颊。第一代的垃圾回收器是1959年Lisp引入的傲诵，這項(xiàng)技術(shù)迄今為止一直在不斷演進(jìn)。
引用計(jì)數(shù)
剛才我們用C++的共享指針?biāo)菔镜南敕梢詰?yīng)用到所有的對(duì)象上來箱硕。許多語言比如說Perl, Python以及PHP拴竹，采用的都是這種方式。這個(gè)通過一張圖可以很容易說明：
綠色的云所指向的對(duì)象表示仍然被程序使用剧罩。從技術(shù)層面上來說栓拜，這有點(diǎn)像是正在執(zhí)行的某個(gè)方法里面的局部變量，亦或是靜態(tài)變量之類的惠昔。不同編程語言的情況可能會(huì)不一樣幕与，因此這并不是我們關(guān)注的重點(diǎn)。
藍(lán)色的圓圈代表的是內(nèi)存中的活著的對(duì)象镇防，可以看到有多少對(duì)象引用了它們啦鸣。灰色圓圈的對(duì)象是已經(jīng)沒有任何人引用的了来氧。因此诫给，它們屬于垃圾對(duì)象，可以被垃圾回收器清理掉饲漾。
看起來還不錯(cuò)對(duì)吧蝙搔？沒錯(cuò)，不過這里存在著一個(gè)重大的缺陷考传。很容易會(huì)出現(xiàn)一些孤立的環(huán)，它們中的對(duì)象都不在任何域內(nèi)证鸥，但彼此卻互相引用導(dǎo)致引用數(shù)不為0僚楞。下面便是一個(gè)例子：
看到了吧，紅色部分其實(shí)就是應(yīng)用程序不再使用的垃圾對(duì)象枉层。由于引用計(jì)數(shù)的缺陷泉褐，因此會(huì)存在內(nèi)存泄露。
有幾種方法可以解決這一問題鸟蜡，比如說使用特殊的“弱”引用膜赃，或者使用一個(gè)單獨(dú)的算法回收循環(huán)引用。之前提到的Perl,Python以及PHP等語言揉忘，都是使用類似的方法來回收循環(huán)引用的跳座，不過這已經(jīng)超出本文講述的范圍了端铛。我們準(zhǔn)備詳細(xì)介紹下JVM所采用的方法。
標(biāo)記刪除
首先疲眷，JVM對(duì)于對(duì)象可達(dá)性的定義要明確一些禾蚕。它可不像前面那樣用綠色的云便含糊了事的，而是有著非常明確及具體的垃圾回收根對(duì)象（Garbage Collection Roots）的定義：
- 局部變量
- 活動(dòng)線程
- 靜態(tài)字段
- JNI引用
- 其它（后面將會(huì)討論到）
JVM通過標(biāo)記刪除的算法來記錄所有可達(dá)（存活）對(duì)象狂丝，同時(shí)確保不可達(dá)對(duì)象的那些內(nèi)存能夠被重用换淆。這包含兩個(gè)步驟：
- 標(biāo)記是指遍歷所有可達(dá)對(duì)象，然后在本地內(nèi)存中記錄這些對(duì)象的信息
- 刪除會(huì)確保不可達(dá)對(duì)象的內(nèi)存地址可以在下一次內(nèi)存分配中使用几颜。
JVM中的不同GC算法倍试，比如說Parallel Scavenge，Parallel Mark+Copy蛋哭， CMS都是這一算法的不同實(shí)現(xiàn)县习，只是各階段略有不同而已，從概念上來講仍然是對(duì)應(yīng)著上面所說的那兩個(gè)步驟具壮。
這種實(shí)現(xiàn)最重要的就是不會(huì)再出現(xiàn)泄露的對(duì)象環(huán)了：
缺點(diǎn)就是應(yīng)用程序的線程需要被暫停才能完成回收准颓，如果引用一直在變的話你是無法進(jìn)行計(jì)數(shù)的。這個(gè)應(yīng)用程序被暫停以便JVM可以進(jìn)行整理活動(dòng)的情況又被稱為Stop The World pause(STW)棺妓。這種暫停被觸發(fā)的可能性有很多攘已，不過垃圾回收應(yīng)該是最常見的一種。
