簡介
Java與C++之間有一堵由內(nèi)存動態(tài)分配和垃圾收集技術(shù)所圍成的“高墻”片吊，墻外的人想進(jìn)去礼预，墻里面的人想出來。
Java內(nèi)存運(yùn)行時(shí)區(qū)域中的程序計(jì)數(shù)器疮装、虛擬機(jī)棧、本地方法棧隨線程而生滅粘都；棧中的棧幀隨著方法的進(jìn)入和退出而有條不紊地執(zhí)行著出棧和入棧操作廓推。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(shí)就已知的（盡管在運(yùn)行期會由JIT編譯器進(jìn)行一些優(yōu)化），因此這幾個區(qū)域的內(nèi)存分配和回收都具備確定性翩隧，不需要過多考慮回收的問題樊展，因?yàn)榉椒ńY(jié)束或者線程結(jié)束時(shí)，內(nèi)存自然就跟隨著回收了鸽心。
而Java堆不一樣滚局，一個接口中的多個實(shí)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)存也可能不一樣顽频，我們只有在程序處于運(yùn)行期間時(shí)才能知道會創(chuàng)建哪些對象藤肢，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(guān)注的是這部分內(nèi)存糯景。
垃圾回收(Garbage Collection)是Java虛擬機(jī)(JVM)垃圾回收器提供的一種用于在空閑時(shí)間不定時(shí)回收無任何對象引用的對象占據(jù)的內(nèi)存空間的一種機(jī)制嘁圈。垃圾回收回收的是無任何引用的對象占據(jù)的內(nèi)存空間而不是對象本身。換言之蟀淮，垃圾回收只會負(fù)責(zé)釋放那些對象占有的內(nèi)存最住。對象是個抽象的詞，包括引用和其占據(jù)的內(nèi)存空間怠惶。當(dāng)對象沒有任何引用時(shí)其占據(jù)的內(nèi)存空間隨即被收回備用涨缚，此時(shí)對象也就被銷毀。但不能說是回收對象策治，可以理解為一種文字游戲脓魏。
在堆里面存放著Java世界中幾乎所有的對象實(shí)例，垃圾收集器在對堆進(jìn)行回收前，需要確定這些對象之中哪些還“存活”著，哪些已經(jīng)“死去”（即沒有任何途徑使用的對象）筋夏。
給對象添加一引用計(jì)數(shù)器禾进，被引用一次計(jì)數(shù)器值就加 1；當(dāng)引用失效時(shí)，計(jì)數(shù)器值就減 1瞳脓；計(jì)數(shù)器為 0 時(shí)缺亮，對象就是不可能再被使用的悔政，簡單高效晚吞，缺點(diǎn)是無法解決對象之間相互循環(huán)引用的問題。
通過一系列的稱為”GC Roots”的對象作為起始點(diǎn)卓箫，從這些節(jié)點(diǎn)開始向下搜索载矿，搜索所走過的路徑稱為引用鏈（Reference Chain），當(dāng)一個對象到 GC Roots沒有任何引用鏈相連時(shí)烹卒，則證明此對象是不可用的闷盔。此算法解決了上述循環(huán)引用的問題。
在Java語言中旅急，可作為 GC Roots 的對象包括下面幾種：
虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象逢勾。
方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象。
方法區(qū)中常量引用的對象藐吮。
本地方法棧中 JNI（Native方法）引用的對象
作為GC Roots的節(jié)點(diǎn)主要在全局性的引用與執(zhí)行上下文中溺拱。要明確的是，tracing gc必須以當(dāng)前存活的對象集為Roots谣辞，因此必須選取確定存活的引用類型對象迫摔。GC管理的區(qū)域是Java堆，虛擬機(jī)棧泥从、方法區(qū)和本地方法棧不被GC所管理句占，因此選用這些區(qū)域內(nèi)引用的對象作為GC Roots，是不會被GC所回收的躯嫉。
其中虛擬機(jī)棧和本地方法棧都是線程私有的內(nèi)存區(qū)域纱烘，只要線程沒有終止，就能確保它們中引用的對象的存活祈餐。而方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象是顯然存活的擂啥。常量引用的對象在當(dāng)前可能存活，因此帆阳，也可能是GC roots的一部分哺壶。
在JDK 1.2以前，Java中的引用的定義很傳統(tǒng)：如果reference類型的數(shù)據(jù)中存儲的數(shù)值代表的是另一塊內(nèi)存的起始地址蜒谤，就稱這塊內(nèi)存代表著一個引用山宾。而JDK 1.2之后，Java對引用的概念進(jìn)行了擴(kuò)充芭逝，將引用分為強(qiáng)引用（Strong Reference）塌碌、軟引用（Soft Reference）渊胸、弱引用（Weak Reference）旬盯、虛引用（Phantom Reference）4 種，這 4 種引用強(qiáng)度依次逐漸減弱。
強(qiáng)引用就是指在程序代碼之中普遍存在的胖翰，類似”O(jiān)bject obj=new Object()”這類的引用接剩，垃圾收集器永遠(yuǎn)不會回收存活的強(qiáng)引用對象。
軟引用就是指還有用但并非必需的對象萨咳。在系統(tǒng) 將要發(fā)生內(nèi)存溢出異常之前懊缺，將會把這些對象列進(jìn)回收范圍之中進(jìn)行第二次回收。
弱引用也是用來描述非必需對象的培他，被弱引用關(guān)聯(lián)的對象只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生之前鹃两。當(dāng)垃圾收集器工作時(shí)，無論內(nèi)存是否足夠舀凛，都會回收掉只被弱引用關(guān)聯(lián)的對象俊扳。
虛引用是最弱的一種引用關(guān)系。無法通過虛引用來取得一個對象實(shí)例猛遍。為一個對象設(shè)置虛引用關(guān)聯(lián)的唯一目的就是能在這個對象被收集器回收時(shí)收到一個系統(tǒng)通知馋记。
不可達(dá)的對象將暫時(shí)處于“緩刑”階段，要真正宣告一個對象死亡懊烤，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過程：
如果對象在進(jìn)行可達(dá)性分析后發(fā)現(xiàn)沒有與GC Roots相連接的引用鏈梯醒，那它將會被第一次標(biāo)記并且進(jìn)行一次篩選，篩選的條件是此對象是否有必要執(zhí)行finalize()方法腌紧。
當(dāng)對象沒有覆蓋finalize()方法茸习，或者finalize()方法已經(jīng)被虛擬機(jī)調(diào)用過，虛擬機(jī)將這兩種情況都視為“沒有必要執(zhí)行”寄啼，直接進(jìn)行第二次標(biāo)記逮光。
如果這個對象被判定為有必要執(zhí)行finalize()方法，那么這個對象將會放置在一個叫做F-Queue的隊(duì)列之中墩划，并在稍后由一個由虛擬機(jī)自動建立的涕刚、低優(yōu)先級的Finalizer線程去執(zhí)行它。
這里所謂的“執(zhí)行”是指虛擬機(jī)會觸發(fā)這個方法乙帮，但并不承諾會等待它運(yùn)行結(jié)束杜漠，因?yàn)槿绻粋€對象在finalize()方法中執(zhí)行緩慢，將很可能會一直阻塞F-Queue隊(duì)列察净，甚至導(dǎo)致整個內(nèi)存回收系統(tǒng)崩潰驾茴。
使用finalize()方法來“拯救”對象的方法是不值得提倡的，它的運(yùn)行代價(jià)高昂氢卡，不確定性大锈至，無法保證各個對象的調(diào)用順序。finalize()能做的工作译秦，使用try-finally或者其它方法都更適合峡捡、及時(shí)击碗，所以可以盡量忘記這個方法的存在。
永久代的垃圾收集主要回收兩部分內(nèi)容：廢棄常量和無用的類们拙。
回收廢棄常量與回收J(rèn)ava堆中的對象非常類似稍途，假如一個字符串”abc”已經(jīng)進(jìn)入了常量池中，但是當(dāng)前系統(tǒng)沒有任何一個String對象是叫做”abc”的砚婆，也沒有其他地方引用了這個字面量械拍，如果這時(shí)發(fā)生內(nèi)存回收，而且必要的話装盯，這個”abc”常量就會被系統(tǒng)清理出常量池坷虑。常量池中的其他類（接口）、方法埂奈、字段的符號引用也與此類似猖吴。
要判斷一個類是否是“無用的類”的條件則相對苛刻許多，類需要滿足以下3個條件才能算“無用的類”：
該類所有的實(shí)例都已經(jīng)被回收挥转，也就是Java堆中不存在該類的任何實(shí)例海蔽。
加載該類的ClassLoader已經(jīng)被回收。
該類對應(yīng)的java.lang.Class對象沒有在任何地方被引用绑谣，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法党窜。
虛擬機(jī)可以對滿足上述3個條件的無用類進(jìn)行回收，這里說的僅僅是“可以”借宵，而并不是和對象一樣幌衣，不使用了就必然會回收。
在大量使用反射壤玫、動態(tài)代理豁护、CGLib等ByteCode框架、動態(tài)生成JSP以及OSGi這類頻繁自定義ClassLoader的場景都需要虛擬機(jī)具備類卸載的功能欲间，以保證永久代不會溢出楚里。
垃圾回收算法是垃圾回收的理論基礎(chǔ)，這里介紹四種垃圾回收算法：標(biāo)記-清除算法猎贴、復(fù)制算法班缎、標(biāo)記-整理算法及分代收集算法。
最基礎(chǔ)的收集算法是“標(biāo)記-清除”（Mark-Sweep）算法她渴，分為“標(biāo)記”和“清除”兩個階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對象达址，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對象。
它的主要不足有兩個：
效率問題趁耗，標(biāo)記和清除兩個過程的效率都不高沉唠；
空間問題，標(biāo)記清除之后會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片苛败，空間碎片太多可能會導(dǎo)致以后在程序運(yùn)行過程中需要分配較大對象時(shí)满葛，無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集動作装蓬。
標(biāo)記—清除算法的執(zhí)行過程如下圖：
為了解決效率問題，一種稱為“復(fù)制”（Copying）的收集算法出現(xiàn)了纱扭，它將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊儡遮。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了乳蛾，就將還存活著的對象復(fù)制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉鄙币。
這樣使得每次都是對整個半?yún)^(qū)進(jìn)行內(nèi)存回收肃叶，內(nèi)存分配時(shí)也就不用考慮內(nèi)存碎片等復(fù)雜情況，只要移動堆頂指針十嘿，按順序分配內(nèi)存即可因惭，實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)行高效绩衷。只是這種算法的代價(jià)是將內(nèi)存縮小為了原來的一半蹦魔。復(fù)制算法的執(zhí)行過程如下圖：
現(xiàn)在的商業(yè)虛擬機(jī)都采用這種算法來回收新生代，IBM研究指出新生代中的對象98%是“朝生夕死”的咳燕，所以并不需要按照1:1的比例來劃分內(nèi)存空間勿决，而是將內(nèi)存分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，每次使用Eden和其中一塊Survivor招盲。當(dāng)回收時(shí)低缩，將Eden和Survivor中還存活著的對象一次性地復(fù)制到另外一塊Survivor空間上，最后清理掉Eden和剛才用過的Survivor空間曹货。HotSpot虛擬機(jī)默認(rèn)Eden:Survivor = 8:1咆繁，也就是每次新生代中可用內(nèi)存空間為整個新生代容量的90%（其中一塊Survivor不可用），只有10%的內(nèi)存會被“浪費(fèi)”顶籽。當(dāng)然玩般，98%的對象可回收只是一般場景下的數(shù)據(jù)，我們沒有辦法保證每次回收都只有不多于10%的對象存活礼饱，當(dāng)Survivor空間不夠用時(shí)壤短，需要依賴其他內(nèi)存（這里指老年代）進(jìn)行分配擔(dān)保（Handle Promotion）。
內(nèi)存的分配擔(dān)保就好比我們?nèi)ャy行借款慨仿，如果我們信譽(yù)很好久脯，在98%的情況下都能按時(shí)償還，于是銀行可能會默認(rèn)我們下一次也能按時(shí)按量地償還貸款镰吆，只需要有一個擔(dān)保人能保證如果我不能還款時(shí)帘撰，可以從他的賬戶扣錢，那銀行就認(rèn)為沒有風(fēng)險(xiǎn)了万皿。內(nèi)存的分配擔(dān)保也一樣摧找，如果另外一塊 Survivor空間沒有足夠空間存放上一次新生代收集下來的存活對象時(shí)核行，這些對象將直接通過分配擔(dān)保機(jī)制進(jìn)入老年代。
復(fù)制算法在對象存活率較高時(shí)就要進(jìn)行較多的復(fù)制操作蹬耘，效率將會變低芝雪。更關(guān)鍵的是，如果不想浪費(fèi)50%的空間综苔，就需要有額外的空間進(jìn)行分配擔(dān)保惩系，以應(yīng)對被使用的內(nèi)存中所有對象都100%存活的極端情況，所以在老年代一般不能直接選用這種算法如筛。
根據(jù)老年代的特點(diǎn)堡牡，有人提出了另外一種“標(biāo)記-整理”（Mark-Compact）算法，標(biāo)記過程仍然與“標(biāo)記-清除”算法一樣杨刨，但后續(xù)步驟不是直接對可回收對象進(jìn)行清理晤柄，而是讓所有存活的對象都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存妖胀，“標(biāo)記-整理”算法的示意圖如下：
當(dāng)前商業(yè)虛擬機(jī)的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法芥颈，根據(jù)對象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊并采用不用的垃圾收集算法。
一般是把Java堆分為新生代和老年代赚抡，這樣就可以根據(jù)各個年代的特點(diǎn)采用最適當(dāng)?shù)氖占惴ń浇琛Ｔ谛律校看卫占瘯r(shí)都發(fā)現(xiàn)有大批對象死去怕品，只有少量存活妇垢，那就選用復(fù)制算法，只需要付出少量存活對象的復(fù)制成本就可以完成收集肉康。而老年代中因?yàn)閷ο蟠婊盥矢叽彻馈]有額外空間對它進(jìn)行分配擔(dān)保，就必須使用“標(biāo)記—清理”或者“標(biāo)記—整理”算法來進(jìn)行回收吼和。
以可達(dá)性分析中從GC Roots節(jié)點(diǎn)找引用鏈這個操作為例涨薪，可作為GC Roots的節(jié)點(diǎn)主要在全局性的引用（例如常量或類靜態(tài)屬性）與執(zhí)行上下文（例如棧幀中的本地變量表）中，現(xiàn)在很多應(yīng)用僅僅方法區(qū)就有數(shù)百兆炫乓，如果要逐個檢查這里面的引用刚夺，那么必然會消耗很多時(shí)間。
另外末捣，可達(dá)性分析對執(zhí)行時(shí)間的敏感還體現(xiàn)在GC停頓上侠姑，因?yàn)檫@項(xiàng)分析工作必須不可以出現(xiàn)分析過程中對象引用關(guān)系還在不斷變化的情況，否則分析結(jié)果準(zhǔn)確性就無法得到保證箩做。這點(diǎn)是導(dǎo)致GC進(jìn)行時(shí)必須停頓所有Java執(zhí)行線程（Sun將這件事情稱為”Stop The World”）的其中一個重要原因莽红，即使是在號稱（幾乎）不會發(fā)生停頓的CMS收集器中，枚舉根節(jié)點(diǎn)時(shí)也是必須要停頓的。
因此安吁，目前的主流Java虛擬機(jī)使用的都是準(zhǔn)確式GC（即虛擬機(jī)可以知道內(nèi)存中某個位置的數(shù)據(jù)具體是什么類型醉蚁。），所以當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)停頓下來后鬼店，并不需要一個不漏地檢查完所有執(zhí)行上下文和全局的引用位置网棍，虛擬機(jī)應(yīng)當(dāng)是有辦法直接得知哪些地方存放著對象引用。
在HotSpot的實(shí)現(xiàn)中妇智，是使用一組稱為OopMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來達(dá)到這個目的的滥玷，在類加載完成的時(shí)候，HotSpot就把對象內(nèi)什么偏移量上是什么類型的數(shù)據(jù)計(jì)算出來俘陷，在JIT編譯過程中，也會在特定的位置記錄棧和寄存器中哪些位置是引用观谦。這樣拉盾，GC在掃描時(shí)就可以直接得知這些信息了。
在OopMap的協(xié)助下豁状，HotSpot可以快速且準(zhǔn)確地完成GC Roots枚舉捉偏，但一個很現(xiàn)實(shí)的問題隨之而來：可能導(dǎo)致引用關(guān)系變化，或者說OopMap內(nèi)容變化的指令非常多泻红，如果為每一條指令都生成對應(yīng)的OopMap夭禽，那將會需要大量的額外空間，這樣GC的空間成本將會變得很高谊路。
實(shí)際上讹躯，HotSpot也的確沒有為每條指令都生成OopMap，前面已經(jīng)提到缠劝，只是在“特定的位置”記錄了這些信息潮梯，這些位置稱為安全點(diǎn)，即程序執(zhí)行時(shí)并非在所有地方都能停頓下來開始GC 惨恭，只有在到達(dá)安全點(diǎn)時(shí)才能暫停秉馏。
Safepoint的選定既不能太少以致于GC過少，也不能過于頻繁以致于過分增大運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷脱羡。對于Safepoint萝究，另一個需要考慮的問題是如何在GC 發(fā)生時(shí)讓所有線程都“跑”到最近的安全點(diǎn)上再停頓下來。這里有兩種方案可供選擇：搶先式中斷（Preemptive Suspension）和主動式中斷（Voluntary Suspension）锉罐。
其中搶先式中斷不需要線程的執(zhí)行代碼主動去配合帆竹，在GC發(fā)生時(shí)，首先把所有線程全部中斷脓规，如果發(fā)現(xiàn)有線程中斷的地方不在安全點(diǎn)上馆揉，就恢復(fù)線程，讓它“跑”到安全點(diǎn)上《独梗現(xiàn)在幾乎沒有虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)采用搶先式中斷來暫停線程從而響應(yīng)GC事件升酣。
而主動式中斷的思想是當(dāng)GC需要中斷線程的時(shí)候舷暮，不直接對線程操作，僅僅簡單地設(shè)置一個標(biāo)志噩茄，各個線程執(zhí)行時(shí)主動去輪詢這個標(biāo)志下面，發(fā)現(xiàn)中斷標(biāo)志為真時(shí)就自己中斷掛起。輪詢標(biāo)志的地方和安全點(diǎn)是重合的绩聘，另外再加上創(chuàng)建對象需要分配內(nèi)存的地方沥割。
使用Safepoint似乎已經(jīng)完美地解決了如何進(jìn)入GC的問題，但實(shí)際情況卻并不一定凿菩。Safepoint機(jī)制保證了程序執(zhí)行時(shí)机杜，在不太長的時(shí)間內(nèi)就會遇到可進(jìn)入GC的Safepoint。但是衅谷，程序“不執(zhí)行”的時(shí)候呢椒拗？所謂的程序不執(zhí)行就是沒有分配CPU時(shí)間，典型的例子就是線程處于Sleep狀態(tài)或者Blocked狀態(tài)获黔，這時(shí)候線程無法響應(yīng)JVM的中斷請求蚀苛，“走”到安全的地方去中斷掛起，JVM也顯然不太可能等待線程重新被分配CPU時(shí)間玷氏。對于這種情況堵未，就需要安全區(qū)域（Safe Region）來解決。
安全區(qū)域是指在一段代碼片段之中盏触，引用關(guān)系不會發(fā)生變化渗蟹。在這個區(qū)域中的任意地方開始GC都是安全的。我們也可以把Safe Region看做是被擴(kuò)展了的Safepoint赞辩。在線程執(zhí)行到Safe Region中的代碼時(shí)拙徽，首先標(biāo)識自己已經(jīng)進(jìn)入了Safe Region，那樣诗宣，當(dāng)在這段時(shí)間里JVM要發(fā)起GC時(shí)膘怕，就不用管標(biāo)識自己為Safe Region狀態(tài)的線程了。在線程要離開Safe Region時(shí)召庞，它要檢查系統(tǒng)是否已經(jīng)完成了根節(jié)點(diǎn)枚舉（或者是整個 GC 過程）岛心，如果完成了，那線程就繼續(xù)執(zhí)行篮灼，否則它就必須等待直到收到可以安全離開Safe Region的信號為止忘古。
本文摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》
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