一、 如何定位垃圾

• 垃圾回收的核心工作就是回收垃圾泡一，在JVM 的視角來看：垃圾就是無用的對象占用的堆內(nèi)存空間颤殴。那么如何定位垃圾便是垃圾回收的重中之重。

1. 引用計數(shù)算法（reference counting）

• 算法思想：給對象中添加一個引用計數(shù)器鼻忠，每當有一個地方引用它時涵但，計數(shù)器就加 1；當引用失效時，計數(shù)器值就減 1矮瘟；一旦某個對象的引用計數(shù)器為 0瞳脓，則說明該對象已經(jīng)死亡，便可被回收澈侠。
• 缺陷：無法處理循環(huán)引用對象劫侧，如下：

    /**
     * testGC() 方法執(zhí)行后，objA 和 objB是否會被GC埋涧？
     * ClassName: ReferenceCountingGC 
     */
    public class ReferenceCountingGC {
        public Object instance = null;
        private static final int _1MB = 1024 * 1024;
        
        private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];
        
        public static void testGC() {
            ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
            ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
            objA.instance = objB;
            objB.instance = objA;
            
            objA = null;
            objB = null;
            
            System.gc();
        }
    }

對象 a, b 相互引用板辽，除此之外沒有其他引用指向a 或者 b，在這種情況下棘催，a 和 b 實際已經(jīng)死亡劲弦，但是由于他們的引用計數(shù)器皆不為 0 ，在引用計數(shù)算法的心中醇坝，這兩個對象還活著邑跪。因此，這些循環(huán)引用對象所占據(jù)的空間將不可回收呼猪，從而造成內(nèi)存泄漏画畅。

• GC Roots： 可以理解為由堆外指向堆內(nèi)的引用，包括（但不限于）如下幾種：
  1. 虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象宋距；
  2. 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象轴踱；
  3. 方法區(qū)中常量引用的對象；
  4. 本地方法棧中JNI（即Native 方法）引用的對象谚赎；
  5. 已啟動且未停止的 Java 線程淫僻。

2. 可達性分析算法

• 算法思想：以“GC Roots”的對象作為起始點，若無法到達對象 a 或者 b壶唤，則可達性分析便不會將它們加入存活對象合集中雳灵。其中搜索走過的路徑稱為引用鏈（Reference Chain）
• 缺陷：在多線程環(huán)境下，其他線程可能會更新已經(jīng)訪問過的對象中的引用闸盔，從而造成誤報（將引用設置為 null）或漏報（將引用設置為被訪問的對象）

1. 誤報只會使JVM 損失了部分垃圾回收的機會悯辙，即當GC標記完成，還未開始回收迎吵，你更新了其中一個引用躲撰，使之指向 null，那么原來的指向?qū)ο蟊究梢员换厥眨ǖ珱]有被GC 標記為可回收击费，只能等待下次標記）茴肥。
2. 漏報是已經(jīng)被 GC 標記為可回收的對象，更新為被其他對象指向荡灾，垃圾回收器直接給回收掉了瓤狐，則可能會直接導致JVM 崩潰瞬铸。

3. Stop-the-world 以及安全點

• 目的是為了解決上述標記過程中堆棧的狀態(tài)發(fā)生改變，JVM 采取安全點機制來實現(xiàn) Stop-the-world 操作础锐，暫停其他非垃圾回收線程嗓节。因此老年代回收有卡頓現(xiàn)象。

4. Java的四種引用：強軟弱虛

5. 對象的最后一次自我拯救

• 即使在可達性算法中不可達的對象皆警，仍有一次自我拯救的機會拦宣。因為宣告一個對象的死亡至少要經(jīng)歷兩次標記過程：對象在可達性算法標記為不可達后進行一次篩選，判斷此對象是否有必要執(zhí)行 finalize() 方法信姓。當對象沒有覆蓋 finalize() 方法鸵隧，或者 finalize() 方法已經(jīng)被虛擬機調(diào)用過，虛擬機將這兩種情況都是為“沒有必要執(zhí)行”意推。
• 在重寫的 finalize() 方法中豆瘫，只要重新與引用鏈上的任何一個對象建立關聯(lián)即可，如下：

public class FinalizeEscapeGC {
    public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;
    
    public void isAlive() {
        System.out.println("yes, i am still alive:)");
    }
    
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("finalize method executed!");
        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();
        
        // 對象第一次成功自我拯救
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        // 由于 finalize() 方法優(yōu)先級很低菊值，所以暫停 0.5秒等待它
        Thread.sleep(500);
        if (SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no, i am dead :(");
        }
        
        // 對象第二次自我拯救 失斖馇！
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        // 由于 finalize() 方法優(yōu)先級很低腻窒，所以暫停 0.5秒等待它
        Thread.sleep(500);
        if (SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no, i am dead :(");
        }
    }
}
運行結(jié)果：
finalize method executed!
yes, i am still alive:)
no, i am dead :(

執(zhí)行結(jié)果一次成功自救昵宇，一次失敗，這是因為任何一個對象的 finalize() 方法都只會被系統(tǒng)自動調(diào)用一次儿子，如果對象面臨下一次回收瓦哎，它的 finalize() 方法不會再次執(zhí)行。

二柔逼、如何回收垃圾

• 當標記完所有的存活對象是杭煎，便可以對死亡的對象進行回收了

1. 標記 - 清除（Mark-Sweep）

• 算法思想：把死亡對象所占據(jù)的內(nèi)存標記為空閑內(nèi)存，并記錄在空閑列表（free list）之中卒落。當需要新建對象時，內(nèi)存管理模塊便會從該空閑列表中尋找空閑內(nèi)存蜂桶，并劃分給新建的對象儡毕。

  
  
  Sweep
• 缺點：
  1. 造成內(nèi)存碎片。由于JVM 的堆中對象必須是連續(xù)分布的扑媚，因此可能出現(xiàn)總空閑內(nèi)存足夠腰湾，但是無法分配的極端情況。
  2. 分配效率較低疆股。如果是一塊連續(xù)的內(nèi)存空間费坊，那么可以通過指針加法（pointer bumping）來做分配。而對于空閑列表旬痹，JVM 則需要逐個訪問列表的項附井，來查找能夠放入新建對象的空閑內(nèi)存讨越。

2. 壓縮（compact）也叫標記 - 整理（Mark-Compact）

• 算法思想：把存活的對象聚集到內(nèi)存區(qū)域的起始位置，從而留下一段連續(xù)的內(nèi)存空間永毅。

  
  
  Compact
• 優(yōu)缺點：能夠解決內(nèi)存碎片化的問題把跨，代價就是壓縮算法的性能開銷。

3. 復制（copy）

• 算法思想： 把內(nèi)存區(qū)域分為兩等分沼死，分別用兩個指針 from 和 to 來 維護着逐，并且只是用 from 指針指向的內(nèi)存區(qū)域來分配內(nèi)存。當發(fā)生垃圾回收時意蛀，便把存活的對象復制到to 指針指向的內(nèi)存區(qū)域中耸别，并且交換 from 指針 和 to 指針的內(nèi)容。

  
  
  Copy

• 優(yōu)缺點： 能夠解決內(nèi)存碎片化的問題县钥，但堆空間的使用效率極其低下秀姐。

4. 分代收集（Generational Collection）

• 算法思想：根據(jù)對象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊。一般為新生代和 老年代魁蒜，便可根據(jù)各個年代的特點采用最適合的收集算法囊扳。在新生代中，每次垃圾收集時都會有大批對象死去兜看，只有少量存活锥咸，便采用復制算法，而老年代中因為對象存活率高细移、沒有額外空間對它進行分配擔保搏予，則使用 “標記 - 清除” 或者 “標記 -整理” 算法。

5. JVM 的堆劃分

• 前面提到了新生代 和 老年代弧轧，這是 JVM 對堆的劃分雪侥，其中新生代又被劃分為 Eden 區(qū)，以及兩個大小相同的 Survivor 區(qū)。
• 默認情況下，JVM采取的是一種動態(tài)分配的策略（對應JVM參數(shù) -XX:UsePSAdaptiveSurvivorSizePolicy）螟蝙，根據(jù)生成對象的速率跨细，以及 Survivor 區(qū)使用情況動態(tài)調(diào)整 Eden區(qū) 和 Survivor 卻的比例。

• 當然，也可以通過參數(shù) -XX:SurvivorRatio 來固定這個比例。不過Survivor區(qū)會一直為空，因此比例越低浪費的堆空間將越高原茅。

  
  
  堆空間

• 當 調(diào)用new 指令時，它會在 Eden 區(qū)中劃出一塊作為存儲對象的內(nèi)存堕仔。由于堆空間是線程共享的擂橘，因此直接在這里劃空間是需要進行同步的。不然可能出現(xiàn)兩個對象公用一段內(nèi)存的事故摩骨。
• JVM 的解決方法就是：每個線程都可以向JVM 申請一段連續(xù)的內(nèi)存通贞，作為線程私有的TLAB（線程私有緩沖區(qū) Thread Local Allocation Buffer朗若，對應虛擬機參數(shù) -XX:+UseTLAB，默認開啟）滑频。這個操作需要加鎖捡偏，線程需要維護兩個指針（可能更多，主要的就兩個）峡迷，一個指向TLAB 中空余內(nèi)存的起始位置银伟，一個則指向 TLAB 末尾。
• 接下來的new 指令绘搞，便可以直接通過指針加法（bump the pointer）來實現(xiàn)彤避，即把指向空余內(nèi)存位置的指針加上所請求的字節(jié)數(shù)。如果加法后空余內(nèi)存指針的值仍小于或等于指向末尾的指針夯辖，則代表分配成功琉预。否則，TLAB 已經(jīng)沒有足夠的空間來滿足本次新建操作蒿褂。此時圆米，便需要當前線程重新申請新的 TLAB。
• 如果 Eden 區(qū)的空間耗盡啄栓，此時JVM 會觸發(fā)一次 Minor GC娄帖，來收集新生代的垃圾。存活下來的對象昙楚，則會被送到 Survivor 區(qū)近速。新生代有兩個 Survivor 區(qū)，我們分別用 from 和 to來指代堪旧。其中 to 指向 Survivor 區(qū)是空的削葱。
• 當發(fā)生 Minor GC時，Eden 區(qū)和 from指向的 Survivor 區(qū)中的存活對象會被復制到 to指向的 Survivor 區(qū)中淳梦，然后交換 from 和 to 指針析砸，以保證下一次 Minor GC時，to 指向的Survivor 區(qū)還是空的爆袍。
• 新生代和老年代的劃分： JVM會記錄 Survivor 區(qū)中的對象一共被來回復制了幾次首繁。如果一個對象被復制的次數(shù)為 15（對應虛擬機參數(shù) -XX:+MaxTenuringThreshold），那么該對象將被晉升（promote）至老年代螃宙。另外，如果 單個 Survivor 區(qū)已經(jīng)被占用了 50%（對應虛擬機參數(shù) -XX:TargetSurvivorRatio）所坯，那么較高復制次數(shù)的對象也會被晉升至老年代谆扎。
  注：為什么是15 而不是其他？原因是 HotSpot會在對象頭中的標記字段里記錄年齡芹助，分配到的空間只有4位堂湖，因此只能記錄到15

• 優(yōu)缺點：Minor GC 是不用對整個堆進行垃圾回收闲先，此時有一個問題就是老年代的對象可能引用新生代的對象。也就是說无蜂，在標記存活對象的時候伺糠，我們需要掃描老年代中的對象。如果該對象擁有對新生代對象的引用斥季，你們這個引用也會被作為 GC Roots训桶。如此，豈不是又做了一次全堆掃描酣倾？

6. 卡表（Card Table）

HotSpot為了解決Minor GC的時候不用進行全堆掃描而提供的方案

• 原理：該技術將整個堆劃分為一個個大小為512 字節(jié)的卡舵揭，并維護一個卡表，用來存儲每張卡的一個標識位躁锡。這個標識位代表對應的卡是否可能存有指向新生代對象的引用午绳。如果存在，你們這張卡就是臟的映之。
• 在進行 Minor GC的時候拦焚，便可不用掃描整個老年代，而是在卡表中尋找臟卡杠输，并將臟卡中的對象加入到 Minor GC 的 GC Roots中赎败。當完成所有臟卡的掃描后，JVM便可將所有的臟卡的標識位清零抬伺。

三螟够、 垃圾回收器

• 針對新生代的垃圾回收器有三個：Serial、Parallel Scavenge 和 Parallel New峡钓。都是采用標記 - 復制算法妓笙。其中，Serial 是單線程的能岩，Parallel New 可以看成 Serial 的多線程版本寞宫。Parallel Scavenge 和 Parallel New 類似，但更加注重吞吐量（Throughput）拉鹃，吞吐量 = 運行用戶代碼時間 / （運行用戶代碼時間 + 垃圾收集時間）辈赋。此外，Parallel Scavenge 不能與 CMS 一起使用膏燕。
• 針對老年代的垃圾回收器也有三個：Serial Old 和 Parallel Old钥屈，以及 CMS。Serial Old 和 Paralled Old 都是標記 - 壓縮算法坝辫。前者為單線程的篷就，后者可以看成前者的多線程版本。
• CMS 采用的是標記 - 清除算法近忙，并發(fā)收集竭业、低停頓智润。但是對CPU敏感、而且會產(chǎn)生空間碎片未辆。
• G1（Garbage First）是一個橫跨新生代和老年代的垃圾回收器窟绷。它打亂了前面所說的堆結(jié)構(gòu)，直接將堆分為極多個區(qū)域咐柜。每個區(qū)域都可以充當 Eden 區(qū)兼蜈、Survivor 區(qū)或者老年代中的一個。采用的是“標記 - 壓縮”算法炕桨，而且和 CMS 一樣都能在應用程序運行過程中并發(fā)的進行垃圾回收饭尝。