所謂垃圾收集泞辐，就是清理已經(jīng)不再使用的內(nèi)存空間硝逢，提高內(nèi)存的利用率秒啦。
由于程序計數(shù)器遭赂、虛擬機棧、本地方法棧都隨線程而生而滅梗劫，棧中的內(nèi)存空間也都基本在編譯期間就可以確定玻淑，所以不需要進行垃圾收集舰涌；而方法區(qū)和Java 堆則不一樣陵像，它們具有不確定性，只有在程序運行期間才能確定會創(chuàng)建哪些對象寇壳，這部分內(nèi)存的回收和分配都是動態(tài)的醒颖，本篇文章后續(xù)講述的“垃圾收集”就是針對這部分內(nèi)存。

談到垃圾收集壳炎，就需要問三個問題：

• What: 哪些內(nèi)存需要回收泞歉？
• When: 什么時候回收逼侦？
• How: 如何回收？

讓我們從這三個基本問題開始進入本篇的學(xué)習(xí)吧腰耙！

哪些內(nèi)存需要回收榛丢？

需要回收的內(nèi)存肯定是沒有再被引用的對象實例，它們永遠(yuǎn)都無法再被繼續(xù)調(diào)用了挺庞，也就是“名存實亡”了晰赞。那么該如何知道對象是否被引用了呢？

引用計數(shù)算法

這個算法很簡單高效选侨，就是一個對象引用它的時候計數(shù)器就加1掖鱼，引用失效（例如A = null）就減1，當(dāng)一個對象的引用計數(shù)器為0時就說明沒有對象引用它了援制，那就表示它“死亡”了戏挡。
然而至少 Java 虛擬機里并沒有用引用計數(shù)算法進行內(nèi)存管理，因為它無法解決相互循環(huán)引用的問題晨仑。

public class ReferenceCountingGC {
    public Object instance = null;

    public static void testGC() {
        ReferenceCountingGC refA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC refB = new ReferenceCountingGC();
        refA.instance = refB;
        refB.instance = refA;
        
        refA = null;
        refB = null;
        System.gc();
    }
}

例如上面一段代碼褐墅，兩個對象分別把持著對方對象的引用，這將導(dǎo)致它們的引用計數(shù)器都不能變?yōu)?洪己，從而也不能被回收妥凳。

可達(dá)性分析算法

在主流的商用程序設(shè)計語言中都基本上采用可達(dá)性分析算法來判斷對象是否存活的。這個算法就是把一系列的GC Root作為根節(jié)點码泛，從它們開始向下遍歷猾封，若一個對象到任何GC Root間均不可達(dá)，那它就是不可用的對象噪珊，可以被回收晌缘，因此這種算法又叫做根節(jié)點枚舉。

可達(dá)性分析算法判斷對象是否可回收

• 虛擬機棧中引用的對象（也就是局部變量引用的對象）
• 方法區(qū)的靜態(tài)變量所引用的對象
• 方法區(qū)中常量引用的對象
• 本地方法棧 JNI 引用的對象

就拿上面那段代碼來說呜叫，在執(zhí)行完

refA = null;
refB = null;

以后空繁，那兩個實例對象雖然都懷著對方的引用，但均無法作為GC Root朱庆，又沒有其他GC Root與他們建立聯(lián)系盛泡，所以都會被視為可以回收的對象而被回收。

生存還是死亡

然而通過可達(dá)性分析被標(biāo)記為可以回收的對象就一定“非死不可”嗎娱颊？不一定傲诵，要真正宣告一個對象死亡凯砍，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過程：在對象被可達(dá)性分析算法標(biāo)記為可以回收后，會進行一次篩選拴竹，篩選出有必要執(zhí)行finalize方法的對象悟衩，然后把它們放置在一個低優(yōu)先級的線程隊列中依次執(zhí)行finalize方法。

那什么叫沒有必要執(zhí)行 finalize方法呢栓拜？就是當(dāng)對象沒有覆蓋默認(rèn)的finalize方法或者這個finalize方法之前被虛擬機調(diào)用過一次座泳。這兩種情況下虛擬機都會認(rèn)為沒有必要執(zhí)行finalize方法，這樣對象就真的死亡了菱属。

而在對象執(zhí)行完finalize方法之后钳榨，虛擬機會對這些對象進行第二次標(biāo)記，若它還沒有與任何GC Root建立聯(lián)系的話纽门，那就真的會被回收薛耻。也就是說，只要覆蓋對象的finalize方法赏陵，使它與任何一個局部變量或靜態(tài)變量建立引用關(guān)系饼齿，那么它就可以免除被回收的命運，從而“自救成功”蝙搔。但這種自救只能拯救一次缕溉，因為一個對象的finalize方法最多只能被執(zhí)行一次。

什么時候回收吃型？

在進行可達(dá)性分析的時候证鸥，所有線程都需要暫停下來，因為若是出現(xiàn)分析過程中對象的引用關(guān)系還在不斷變化的狀況勤晚，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性就無法達(dá)成保障枉层。那么問題就來了，系統(tǒng)應(yīng)該在什么時候暫停所有的線程并進行 GC 呢赐写？

安全點

Java 程序執(zhí)行時并非在任何地方都能停下來開始 GC鸟蜡，只有在到達(dá)一些特定的地方才行，這些地方叫安全點（Safepoint）挺邀。 安全點的選擇既不能太少以致于長時間沒有進行 GC揉忘，又不能太頻繁以致于過分增大運行時的負(fù)荷。所以安全點的選擇基本上是以附近的語句“是否具有讓程序長時間執(zhí)行的特征”為標(biāo)準(zhǔn)進行選定的端铛，而“長時間執(zhí)行”執(zhí)行最明顯的特征就是指令序列復(fù)用泣矛，例如方法調(diào)用、循環(huán)跳轉(zhuǎn)禾蚕、異常跳轉(zhuǎn)等地方附近都會有安全點乳蓄。

對于安全點，還有一個問題需要考慮夕膀，如何在 GC 發(fā)生時讓所有的線程都跑到最近的安全點上停下來虚倒。主要有兩種方案可供選擇：
搶先式中斷：GC 發(fā)生時，先將所有線程都暫停下來产舞，若是有些線程不在安全點魂奥，則恢復(fù)線程，讓它跑到最近的安全點再停下來易猫。這種方案幾乎沒有虛擬機采用耻煤。
主動式中斷：GC 發(fā)生時，系統(tǒng)先將一個標(biāo)志位設(shè)置為真准颓，各個線程在執(zhí)行到安全點的時候判斷這個標(biāo)志位哈蝇，若發(fā)現(xiàn)其為真就中斷掛起。直到所有線程都停下來之后再進行可達(dá)性分析等操作攘已。這個方法簡單高效炮赦，使用比較普遍。

安全區(qū)域

上面的方法似乎完美解決了這個問題样勃，但只是對于正在執(zhí)行的線程吠勘，若是那些處于睡眠或阻塞狀態(tài)的線程，它們顯然無法到達(dá)安全點峡眶，而 JVM 也不可能等待 CPU 重新調(diào)度它剧防。這個時候就需要安全區(qū)域（Safe Region）了。

安全區(qū)域是指在一段引用關(guān)系不會發(fā)生變化的代碼,在這個區(qū)域中的任何時候開始 GC 都是安全的辫樱。安全區(qū)域可以看作是安全點的拓展峭拘。

當(dāng)代碼執(zhí)行到安全區(qū)域時，首先標(biāo)識自己已經(jīng)進入了安全區(qū)域狮暑，那樣如果在這段時間里JVM發(fā)起GC鸡挠，就不用管標(biāo)示自己在安全區(qū)域的那些線程了，在線程離開安全區(qū)域時心例，會檢查系統(tǒng)是否正在執(zhí)行GC宵凌，如果是，就等到GC完成后再離開安全區(qū)域止后。

如何回收瞎惫？

主要的垃圾收集算法有下面三種：

標(biāo)記 - 清除算法

如同它的名字一樣，它只有兩個步驟译株，先是按照可達(dá)性算法標(biāo)記哪些內(nèi)存需要回收瓜喇，然后再一次性清理掉這些內(nèi)存。缺點也很明顯：一是效率問題歉糜，標(biāo)記和清除這兩個過程的效率都比較低乘寒；二是這種算法會產(chǎn)生很多內(nèi)存碎片。

復(fù)制算法

這種算法的核心是“復(fù)制”匪补，先把內(nèi)存分成大小相等的兩部分伞辛，每次都只使用其中的一部分烂翰，當(dāng)使用的那一部分需要內(nèi)存回收的時候，就將還存活著的對象復(fù)制到另一半上蚤氏，然后再將先前的那一半一次清理掉甘耿。這種方法簡單高效，解決了內(nèi)存碎片的問題竿滨，但缺點是每次都只使用總內(nèi)存的一半佳恬，浪費比較大。

標(biāo)記 - 復(fù)制算法示意圖

主流虛擬機采用的復(fù)制算法示意圖

為何可以這樣做呢柱告？IBM公司專門做過研究，新生代中的對象 98% 都是“朝生暮死的”笑陈，也就是說只有很少一部分的對象會在一次 GC 中存活下來际度，所以只占 10% 的 Survivor分區(qū)也是基本夠用的。不過涵妥，98% 的對象可回收只是一般情況下乖菱，無法保證每次存活的對象都只有不到 10%，那么就需要分配擔(dān)保了蓬网，意思就是當(dāng) Survivor 分區(qū)內(nèi)沒有足夠的空間存放上一次從新生代存活的對象的時候窒所，多出的這部分對象會直接進入老年代區(qū)域。

標(biāo)記 - 整理算法

由于復(fù)制算法需要花很多時間進行存活對象的復(fù)制帆锋，效率比較低吵取，而且還需要分配擔(dān)保。而對于老年代區(qū)域的對象锯厢，沒有額外的區(qū)域進行分配擔(dān)保皮官，就無法使用復(fù)制算法，于是“標(biāo)記 - 整理”算法應(yīng)運而生实辑。

標(biāo)記 - 整理算法示意圖

分代收集算法

主流的商業(yè)虛擬機都采用“分代收集算法”，就是將內(nèi)存區(qū)域根據(jù)對象存活周期將內(nèi)存分成幾塊。具體是分成新生代和老年代馍佑，再根據(jù)不同的年代使用適合它們的垃圾收集算法斋否。

例如新生代中，每次垃圾收集會有大量的對象死去挤茄，存活的較少如叼，故可以采用復(fù)制算法。
而老年代中穷劈，對象存活率高、沒有額外的空間進行分配擔(dān)保踊沸，故可以使用“標(biāo)記 - 清除”或“標(biāo)記 - 整理”算法歇终。

總結(jié)

本篇文章介紹了垃圾收集的三個核心部分：垃圾收集的對象的判定，垃圾收集的時間和垃圾收集的方法逼龟。下一節(jié)將介紹 HotSpot 虛擬機中幾種具體的垃圾收集器是如何實現(xiàn)的评凝。