研究JVM一定逃不開一個(gè)話題，就是垃圾回收（Garbage Collection懒豹，GC）脸秽。很多面試的程序員也應(yīng)該是“深受其擾”记餐，今天我們就來(lái)聊一聊我對(duì)于它的理解片酝。

在開始學(xué)習(xí)GC之前你應(yīng)該知道一個(gè)詞：Stop-the-world。不管選擇哪種GC算法审轮，stop-the-world都是不可避免的断国。Stop-the-world意味著從應(yīng)用中停下來(lái)并進(jìn)入到GC執(zhí)行過(guò)程中去稳衬。一旦Stop-the-world發(fā)生薄疚，除了GC所需的線程外，其他線程都將停止工作板丽，中斷了的線程直到GC任務(wù)結(jié)束才繼續(xù)它們的任務(wù)埃碱。GC調(diào)優(yōu)通常就是為了改善stop-the-world的時(shí)間。

想要了解java的GC似炎，我總結(jié)的五個(gè)關(guān)鍵字是WHY羡藐、WHERE仆嗦、WHAT欧啤、HOW、WHEN冈在。只要從這幾個(gè)關(guān)鍵詞一步步解釋纫谅，基本上就能大概了解java的GC工作兰珍。

先來(lái)解釋下這五個(gè)關(guān)鍵字代表的意思并逐一分析：
WHY：為什么要進(jìn)行垃圾回收
WHERE：哪里的內(nèi)容需要回收
WHAT：什么對(duì)象可回收
HOW：如何進(jìn)行回收
WHEN：什么時(shí)候回收

WHY：為什么要進(jìn)行垃圾回收

回答這個(gè)問(wèn)題，要想一想如果不進(jìn)行垃圾收集會(huì)發(fā)生什么唠摹。我們知道，一個(gè)服務(wù)器的內(nèi)存都是有限的盗温，而JVM在工作時(shí)占用的內(nèi)存更不是任意擴(kuò)展的找默。所以如果我們對(duì)JVM在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的垃圾數(shù)據(jù)不進(jìn)行收集，必然會(huì)出現(xiàn)撐爆內(nèi)存的情況风钻，服務(wù)也就無(wú)法再繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。而垃圾收集能自動(dòng)釋放內(nèi)存空間并分配給新的對(duì)象布朦，讓服務(wù)能夠健康的運(yùn)轉(zhuǎn)昼窗。

WHERE：哪里的內(nèi)容需要回收

通過(guò)之前的文章 http://www.reibang.com/p/dd4f195c6464 我們知道是趴，Java在內(nèi)存運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域有虛擬機(jī)棧、本地方法棧澄惊、程序計(jì)數(shù)器唆途、堆富雅、方法區(qū)。其中虛擬機(jī)棧肛搬、本地方法棧没佑、程序計(jì)數(shù)器隨線程而生，隨線程而滅温赔；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。每一個(gè)棧幀中分配多少內(nèi)存基本上是在類結(jié)構(gòu)確定下來(lái)時(shí)就已知的，因此這幾個(gè)區(qū)域的內(nèi)存分配和回收都具備確定性，所以不需要考慮回收医舆，而Java堆和方法區(qū)則不一樣惫东，一個(gè)接口中的多個(gè)實(shí)現(xiàn)類需要的內(nèi)存可能不一樣，一個(gè)方法中的多個(gè)分支需要的內(nèi)存也可能不一樣遥皂，我們只有在程序處于運(yùn)行期間時(shí)才能知道會(huì)創(chuàng)建哪些對(duì)象，這部分內(nèi)存的分配和回收都是動(dòng)態(tài)的震糖，垃圾收集器所關(guān)注的是這部分內(nèi)存颁井。

WHAT：什么對(duì)象可回收

引用計(jì)數(shù)算法（目前java不使用）

這個(gè)算法是這樣的：給每個(gè)對(duì)象分配一個(gè)計(jì)算器眉抬，當(dāng)有引用指向這個(gè)對(duì)象時(shí)威沫，計(jì)數(shù)器加1颈墅，當(dāng)指向該對(duì)象的引用失效時(shí)望伦，計(jì)數(shù)器減1饵撑。最后如果該對(duì)象的計(jì)算器為0時(shí)酪刀，java垃圾回收器會(huì)認(rèn)為該對(duì)象是可回收的漾唉。
引用計(jì)數(shù)器算法算是一種古老的java垃圾回收算法，效率較高概漱，貌似JDK1.2之前還是是用的這個(gè)算法丑慎。目前的JDK版本已經(jīng)廢棄掉這種算法了照弥，之所以廢棄應(yīng)該是和它無(wú)法解決兩個(gè)對(duì)象間循環(huán)引用的問(wèn)題片迅。
循環(huán)引用可以參考：https://blog.csdn.net/jiasike/article/details/51355729

可達(dá)性分析算法（目前java使用）

可達(dá)性分析算法.png

目前java是通過(guò)可達(dá)性分析來(lái)判定對(duì)象是否存活的畅厢。這個(gè)算法的基本思路就是通過(guò)一系列的名為“GC Roots”的對(duì)象作為起始點(diǎn)浦楣，從這些節(jié)點(diǎn)開始向下搜索，搜索所走過(guò)的路徑稱為引用鏈（Reference Chain）咪辱，當(dāng)一個(gè)對(duì)象到GC Roots沒(méi)有任何引用鏈相連時(shí)振劳，則證明此對(duì)象是不可用的。如上圖可見油狂，對(duì)象Object4历恐、Object5、Object6雖然互相有關(guān)聯(lián)专筷，但是它們到GC Roots是不可達(dá)的弱贼，所以它們會(huì)被判定為是可回收對(duì)象。
在Java語(yǔ)言中磷蛹，可作為GC Roots的對(duì)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(duì)象吮旅。
方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對(duì)象。
方法區(qū)中常量引用的對(duì)象味咳。
本地方法棧中JNI（Native方法）引用的對(duì)象庇勃。

再聊一聊引用

無(wú)論是通過(guò)引用算法判斷對(duì)象的引用數(shù)量，還是通過(guò)可達(dá)性分析算法判斷對(duì)象的引用鏈?zhǔn)欠窨蛇_(dá)槽驶，判斷對(duì)象是否存活都與引用有關(guān)责嚷。我們希望能描述這樣一類對(duì)象：當(dāng)內(nèi)存空間還足夠時(shí)，則能保留在內(nèi)存之中掂铐；如果內(nèi)存空間在進(jìn)行垃圾收集后還是非常緊張再层，則可以拋棄這些對(duì)象。很多系統(tǒng)的緩存功能都符合這樣的應(yīng)用場(chǎng)景堡纬。JDK1.2之后，Java對(duì)引用的概念進(jìn)行了擴(kuò)充蒿秦，將引用分為強(qiáng)引用烤镐、軟引用、弱引用棍鳖、虛引用4種炮叶。

強(qiáng)引用
強(qiáng)引用就是指在程序代碼之中普遍存在的，類似“Object obj=new Object（）”這類的引用渡处，只要強(qiáng)引用還存在镜悉，垃圾收集器永遠(yuǎn)不會(huì)回收掉被引用的對(duì)象。
軟引用（SoftReference類）
軟引用是用來(lái)描述一些還有用但并非必需的對(duì)象医瘫。對(duì)于軟引用關(guān)聯(lián)著的對(duì)象侣肄，在系統(tǒng)將要發(fā)生內(nèi)存溢出異常之前，將會(huì)把這些對(duì)象列進(jìn)回收范圍之中進(jìn)行第二次回收醇份。如果這次回收還沒(méi)有足夠的內(nèi)存稼锅，才會(huì)拋出內(nèi)存溢出異常吼具。
弱引用（WeakReference類）
弱引用也是用來(lái)描述非必需對(duì)象的，但是它的強(qiáng)度比軟引用更弱一些矩距，被弱引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生之前拗盒。當(dāng)垃圾收集器工作時(shí)，無(wú)論當(dāng)前內(nèi)存是否足夠锥债，都會(huì)回收掉只被弱引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象陡蝇。
虛引用（PhantomReference類）
虛引用也稱為幽靈引用或者幻影引用，它是最弱的一種引用關(guān)系哮肚。一個(gè)對(duì)象是否有虛引
用的存在登夫，完全不會(huì)對(duì)其生存時(shí)間構(gòu)成影響，也無(wú)法通過(guò)虛引用來(lái)取得一個(gè)對(duì)象實(shí)例绽左。為一個(gè)對(duì)象設(shè)置虛引用關(guān)聯(lián)的唯一目的就是能在這個(gè)對(duì)象被收集器回收時(shí)收到一個(gè)系統(tǒng)通知悼嫉。

回收方法區(qū)

方法區(qū)的垃圾收集主要回收兩部分內(nèi)容：廢棄常量和無(wú)用的類。

回收廢棄常量與回收J(rèn)ava堆中的對(duì)象非常類似拼窥。以常量池中字面量的回收為例戏蔑，假如一個(gè)字符串“abc”已經(jīng)進(jìn)入了常量池中，但是當(dāng)前系統(tǒng)沒(méi)有任何一個(gè)String對(duì)象是叫做“abc”的鲁纠，換句話說(shuō)总棵，就是沒(méi)有任何String對(duì)象引用常量池中的“abc”常量，也沒(méi)有其他地方引用了這個(gè)字面量改含，如果這時(shí)發(fā)生內(nèi)存回收情龄，而且必要的話，這個(gè)“abc”常量就會(huì)被系統(tǒng)清理出常量池捍壤。常量池中的其他類（接口）骤视、方法、字段的符號(hào)引用也與此類似鹃觉。

判定一個(gè)類是否是“無(wú)用的類”的條件有三個(gè)：
類所有的實(shí)例都已經(jīng)被回收专酗，也就是Java堆中不存在該類的任何實(shí)例。
加載該類的ClassLoader已經(jīng)被回收盗扇。
該類對(duì)應(yīng)的java.lang.Class對(duì)象沒(méi)有在任何地方被引用祷肯，無(wú)法在任何地方通過(guò)反射訪問(wèn)該類的方法。
虛擬機(jī)可以對(duì)滿足上述3個(gè)條件的無(wú)用類進(jìn)行回收疗隶，這里說(shuō)的僅僅是“可以”佑笋，而并不是和對(duì)象一樣，不使用了就必然會(huì)回收斑鼻。這個(gè)要根據(jù)不同廠商的虛擬機(jī)提供的參數(shù)而定（如HotSpot虛擬機(jī)提供了-Xnoclassgc參數(shù)進(jìn)行控制）蒋纬，這里就不多說(shuō)了。

HOW：如何進(jìn)行回收

這里就要聊一下垃圾收集算法。

標(biāo)記 - 清除算法

如同它的名字一樣颠锉，算法分為“標(biāo)記”和“清除”兩個(gè)階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象法牲，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對(duì)象。它的主要不足有兩個(gè)：

1. 效率問(wèn)題琼掠，標(biāo)記和清除兩個(gè)過(guò)程的效率都不高拒垃；
2. 空間問(wèn)題，標(biāo)記清除之后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片瓷蛙，空間碎片太多可能會(huì)導(dǎo)致以后在程序運(yùn)行過(guò)程中需要分配較大對(duì)象時(shí)悼瓮，無(wú)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(dòng)作。

標(biāo)記—清除算法的執(zhí)行過(guò)程如下圖所示：

image.png

復(fù)制算法

為了解決效率問(wèn)題艰猬，一種稱為“復(fù)制”（Copying）的收集算法出現(xiàn)了横堡，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冠桃。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了命贴，就將還存活著的對(duì)象復(fù)制到另外一塊上面，然后再把已使用過(guò)的內(nèi)存空間一次清理掉食听。這樣使得每次都是對(duì)整個(gè)半?yún)^(qū)進(jìn)行內(nèi)存回收胸蛛，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(dòng)堆頂指針樱报，按順序分配內(nèi)存即可葬项，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)行高效迹蛤。 相對(duì)于下面“標(biāo)記-整理”策略需要多次遍歷堆進(jìn)行回收民珍，“復(fù)制式回收”只需要遍歷一次堆，同時(shí)也清理了”內(nèi)存碎片“盗飒，并保證了對(duì)象在堆中的相對(duì)順序（提高了程序的空間局部性）嚷量。但是它有個(gè)致命的缺點(diǎn)是堆的可利用空間只有一半。復(fù)制算法的執(zhí)行過(guò)程如下圖所示：

image.png

現(xiàn)在的商業(yè)虛擬機(jī)都采用這種收集算法來(lái)回收新生代逆趣，IBM公司的專門研究表明津肛，新生代中的對(duì)象98%是“朝生夕死”的，所以并不需要按照1:1的比例來(lái)劃分內(nèi)存空間汗贫，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秸脱。當(dāng)回收時(shí)落包，將Eden和Survivor中還存活著的對(duì)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(guò)的Survivor空間摊唇。HotSpot虛擬機(jī)默認(rèn)Eden和Survivor的大小比例是8:1咐蝇，也就是每次新生代中可用內(nèi)存空間為整個(gè)新生代容量的90%（80%+10%），只有10%的內(nèi)存會(huì)被“浪費(fèi)”巷查。當(dāng)然有序，98%的對(duì)象可回收只是一般場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)抹腿，我們沒(méi)有辦法保證每次回收都只有不多于10%的對(duì)象存活，當(dāng)Survivor空間不夠用時(shí)旭寿，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 - 如果另外一塊Survivor空間沒(méi)有足夠空間存放上一次新生代收集下來(lái)的存活對(duì)象時(shí)警绩，這些對(duì)象將直接進(jìn)入老年代）。

新生代的minor GC

對(duì)象能夠進(jìn)入到老年代的途徑：

1. 空間分配擔(dān)保：通過(guò)上面提到的分配擔(dān)保方式盅称。
2. 長(zhǎng)期存活對(duì)象：一般情況下肩祥，新創(chuàng)建的對(duì)象都會(huì)被分配到Eden區(qū)(一些大對(duì)象特殊處理)，這些對(duì)象經(jīng)過(guò)它自己的第一次Minor GC后缩膝，如果仍然存活混狠，并且能被Survivor區(qū)容納，則將會(huì)被移到Survivor（to）區(qū)疾层，并且將年齡設(shè)置為2将饺。對(duì)象在Survivor區(qū)中每熬過(guò)一次Minor GC，年齡就會(huì)增加1歲痛黎，當(dāng)它的年齡增加到一定程度（默認(rèn)為15歲）時(shí)予弧，就會(huì)被移動(dòng)到老年代中。 可通過(guò)虛擬機(jī)提供的 -XX:MaxTenuringThreshold參數(shù)進(jìn)行配置移動(dòng)年齡闕值舅逸。
3. 大對(duì)象：需要大量連續(xù)內(nèi)從空間的java對(duì)象直接進(jìn)入老年代桌肴，如很長(zhǎng)的字符串以及數(shù)組×鹄可通過(guò)虛擬機(jī)提供的 -XX:PretenureSizeThreshold參數(shù)進(jìn)行配置坠七。
4. 動(dòng)態(tài)對(duì)象年齡判定：如果在Survivor空間中相同年齡所有對(duì)象大小的總和大于Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對(duì)象就可以直接進(jìn)入老年代旗笔，無(wú)需等到到達(dá)3中的PretenureSizeThreshold參數(shù)闕值彪置。

標(biāo)記 - 整理算法

標(biāo)記過(guò)程仍然與“標(biāo)記-清除”算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對(duì)可回收對(duì)象進(jìn)行清理蝇恶，而是讓所有存活的對(duì)象都向一端移動(dòng)拳魁，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存，“標(biāo)記-整理”算法的示意圖如圖所示：

image.png

“標(biāo)記-整理”回收策略較大的問(wèn)題在于執(zhí)行效率撮弧，因?yàn)榇蠖夹枰啻螔呙瓒雅税茫菀自斐蒰c卡頓時(shí)間較長(zhǎng)

分代收集算法

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，這種算法并沒(méi)有什么新的思想贿衍，只是根據(jù)對(duì)象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊授舟。一般是把Java堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據(jù)各個(gè)年代的特點(diǎn)采用最適當(dāng)?shù)氖占惴潮病Ｔ谛律惺褪鳎看卫占瘯r(shí)都發(fā)現(xiàn)有大批對(duì)象死去，只有少量存活，那就選用復(fù)制算法奢啥，只需要付出少量存活對(duì)象的復(fù)制成本就可以完成收集秸仙。而老年代中因?yàn)閷?duì)象存活率高、沒(méi)有額外空間對(duì)它進(jìn)行分配擔(dān)保桩盲，就必須使用“標(biāo)記—清理”或者“標(biāo)記—整理”算法來(lái)進(jìn)行回收寂纪。

WHEN：什么時(shí)候回收

Minor GC觸發(fā)條件：當(dāng)Eden區(qū)滿時(shí)，觸發(fā)Minor GC正驻。
Full GC（或者M(jìn)ajor GC）觸發(fā)條件：
程序顯式調(diào)用System.gc時(shí)弊攘，系統(tǒng)建議執(zhí)行Full GC
方法區(qū)空間不足
老年代空間不足
通過(guò)Minor GC后進(jìn)入老年代的對(duì)象大小大于老年代的可用內(nèi)存
由Eden區(qū)、From Space區(qū)向To Space區(qū)復(fù)制時(shí)姑曙，對(duì)象大小大于To Space可用內(nèi)存襟交，則把該對(duì)象轉(zhuǎn)存到老年代，且老年代的可用內(nèi)存小于該對(duì)象大小伤靠。

*關(guān)于JVM的GC過(guò)程捣域，推薦個(gè)感覺(jué)比較好的文章，里面有詳盡的圖文介紹：https://blog.csdn.net/weixin_39788856/article/details/80388002