第一部分：面試題

本次分享我們將嘗試回答以下問題：

1. GC 是什么? 為什么要有 GC?
2. 簡單說一下java的垃圾回收機(jī)制柴灯。
3. JVM的常見垃圾回收算法有哪些泡嘴？
4. 為什么要使用分代回收機(jī)制蔓纠？
5. 如何判斷一個對象是否存活?
6. 如果對象的引用被置為 null溃槐，垃圾收集器是否會立即釋放對象占用的內(nèi)存?

第二部分：深入原理

好帅矗，讓我們開始吧偎肃。還是那句話，如果時間不夠可以直接拉到最后看答案浑此。

java垃圾回收的知識點(diǎn)雖然看起來難累颂，但知識點(diǎn)非常集中，而且很好理解凛俱。不信紊馏？不信就往下看吧。

1. 所謂GC

GC就是垃圾收集的意思（Gabage Collection）最冰。

我們在開發(fā)中會創(chuàng)建很多對象瘦棋，這些對象一股腦的都扔進(jìn)了堆里（還記得jvm內(nèi)存模型嗎稀火？不記得的話翻翻前面的文章）暖哨，如果這些對象只增加不減少，那么堆空間很快就會被耗盡凰狞。所以我們需要把一些沒用的對象清理掉篇裁。

2.對象已死嗎

垃圾回收，就是要把那些不再使用的對象找出來然后清理掉赡若，釋放其占用的內(nèi)存空間达布。

判斷一個對象是否還在使用，用咱們java圈子的行話講逾冬，就是判斷對象是否死亡（反之就是存活）黍聂。

在java中判斷對象死亡有兩種方式：

• 引用計(jì)數(shù)法
• 可達(dá)性分析法

下面我們詳細(xì)講講

2.1 引用計(jì)數(shù)法

引用計(jì)數(shù)法的思想十分樸素，它的做法是給對象添加一個引用計(jì)數(shù)器身腻，每當(dāng)有一個地方引用該對象产还，這個計(jì)數(shù)器就加1。當(dāng)引用失效時嘀趟，計(jì)數(shù)器就減1脐区。如果計(jì)數(shù)器為0了，說明該對象不再被引用她按，成為死亡對象牛隅。

不過這種算法有一個致命缺點(diǎn)，就是無法處理對象相互引用的情況酌泰。

你看媒佣，假如有A、B兩個對象陵刹，它們互相引用默伍，那么對象中的引用計(jì)數(shù)器會始終大于0。

所以這種算法已經(jīng)沒人用了。

2.2 可達(dá)性分析法

2.2.1 什么是可達(dá)性

可達(dá)性分析法就是目前的主流算法巡验，也是java正在使用的算法际插。

它的做法是，通過一系列被稱為“GC Roots”的對象作為起點(diǎn)显设，從這些起點(diǎn)開始往下搜索框弛，搜索所走過的路徑稱為引用鏈（Reference Chain）。當(dāng)一個對象沒有和任何引用鏈相連捕捂，即稱為該對象不可達(dá)（圖論的說法）瑟枫，認(rèn)為該對象死亡。

來看下面這張圖：

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上圖中A指攒、B慷妙、C都跟GC Roots有直接或間接的引用關(guān)系，所以是存活對象允悦。而D膝擂、E、F雖然相互之間有引用隙弛，但是和GC Roots并無引用關(guān)系架馋，所以是死亡對象。

2.2.2 哪些對象可作為GC Roots

有四類對象可作為可達(dá)性分析的GC Roots

• 棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
• 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
• 本地方法棧中JNI引用的對象

總而言之全闷，GC Roots是所有Java線程中處于活躍狀態(tài)的棧幀,靜態(tài)引用等指向GC堆里的對象的引用叉寂。換句話說，就是當(dāng)前所有正在被調(diào)用的方法的引用類型的參數(shù)/局部變量/臨時值总珠。

2.3 所謂引用

對象是否死亡屏鳍，關(guān)鍵就在于引用。在java中局服，引用其實(shí)有四種：強(qiáng)引用钓瞭、軟引用、弱引用腌逢、虛引用降淮。

• 強(qiáng)引用

  強(qiáng)引用就是我們?nèi)粘ｉ_發(fā)中最常見的引用，例如

  String str = new String("hello");
  

  只要強(qiáng)引用還在搏讶，對象就不會被回收佳鳖。

• 軟引用

  軟引用需要專門聲明，例如

  SoftReference<String> str = new SoftReference<String>("hello");
  

  被軟引用關(guān)聯(lián)的對象在內(nèi)存不足時會被回收媒惕。

  這個特性特別適合用來做緩存系吩。

• 弱引用

  弱引用也需要專門聲明，例如

  WeakReference<String> str = new WeakReference<String>("hello");
  

  被弱引用關(guān)聯(lián)的對象每次GC時都會被回收妒蔚。

  弱引用最常見的用途是實(shí)現(xiàn)可自動清理的集合或者隊(duì)列穿挨。

• 虛引用

  虛引用是最弱的引用月弛，需要用PhantomReference來聲明，例如

  PhantomReference<String> phantom = new PhantomReference<>(new String("hello"), new ReferenceQueue<>());
  

  它完全不會影響對象的生存時間科盛，唯一的作用是在對象被回收時發(fā)一個系統(tǒng)通知帽衙。

2.4 起死回生

對象在被判定為死亡后，并不會立刻被回收贞绵，而是要經(jīng)過一個過程才會被回收厉萝。在這個回收過程中，死亡對象還有可能活過來榨崩，是不是很神奇谴垫？

來看圖：

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上圖是對象被回收的過程。一個對象要被回收母蛛，至少要經(jīng)過兩次標(biāo)記翩剪。

如果對象在第二次標(biāo)記之前重新連接上GC Roots，那么它將在第二次標(biāo)記中被移出回收隊(duì)列彩郊，從而復(fù)活前弯。

還有一點(diǎn)需要注意的是，F(xiàn)inalizer線程是一個由虛擬機(jī)自動建立焦辅，且低優(yōu)先級的線程博杖。該線程觸發(fā)對象的finalize()方法之后椿胯，并不會阻塞等待方法執(zhí)行結(jié)束筷登。這樣做是為了防止回收隊(duì)列被阻塞。

finalize()是Object中的方法哩盲，當(dāng)垃圾回收器將要回收對象所占內(nèi)存之前被調(diào)用的方法前方。有些教材推薦用該方法來做“關(guān)閉外部資源”之類的工作，但是實(shí)際上該方法運(yùn)行代價高昂廉油，且不確定性很大惠险，所以并不推薦使用。真要關(guān)閉外部資源抒线，還不如用try-finally來處理班巩。

3.方法區(qū)的回收

方法區(qū)不在堆內(nèi)，會被垃圾回收嗎嘶炭？

在jdk1.7中抱慌，方法區(qū)在永久代，而永久代本身就是垃圾回收概念下的產(chǎn)物眨猎，full gc時就會對方法區(qū)回收抑进。

到了jdk1.8，雖然永久代被取消睡陪，但是新增了MaxMetaspaceSize參數(shù)寺渗，對于將死的類及類加載器的垃圾回收將在元數(shù)據(jù)使用達(dá)到“MaxMetaspaceSize”參數(shù)的設(shè)定值時進(jìn)行匿情。

所以，方法區(qū)會被回收信殊。

4.垃圾回收算法

這一節(jié)我們來看下流行的垃圾回收算法炬称，只說思想，不涉及實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)涡拘。

我們需要了解的垃圾回收算法有以下幾種：

• 標(biāo)記-清除算法
• 復(fù)制算法
• 標(biāo)記-整理算法
• 分代回收算法

咱們一個個來看下转砖。

4.1 標(biāo)記-清除算法

標(biāo)記-清除算是最基本的回收算法了。它的思想就是先標(biāo)記鲸伴，再清除府蔗。標(biāo)記過程如2.4節(jié)所述，有兩次標(biāo)記汞窗。

它的主要缺點(diǎn)有兩個：

• 效率不高
• 會產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片

內(nèi)存碎片是指內(nèi)存的空間比較零碎姓赤，缺少大段的連續(xù)空間。這樣假如突然來了一個大對象仲吏，會找不到足夠大的連續(xù)空間來存放不铆，于是不得不再觸發(fā)一次gc。

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4.2 復(fù)制算法

復(fù)制算法的思想是裹唆，把內(nèi)存分成兩塊誓斥，假設(shè)分成A、B兩個區(qū)域吧许帐。

每次對象過來之后劳坑，都放到A區(qū)域里，當(dāng)A區(qū)域滿了之后成畦，把存活的對象復(fù)制到B區(qū)域距芬，然后清空A區(qū)域。

接下來的對象就全部放到B區(qū)域循帐，等B區(qū)域滿了框仔，就把存活對象復(fù)制到A區(qū)域，然后清空B區(qū)域拄养。

就這樣來回倒騰离斩，完成垃圾回收。

優(yōu)點(diǎn)是不會有空間碎片瘪匿，缺點(diǎn)是每次只用得到一半內(nèi)存跛梗。

缺點(diǎn)是在對象存活率較高的場景下（比如老年代那樣的環(huán)境），需要復(fù)制的東西太多柿顶，效率會下降茄袖。

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4.3 標(biāo)記-整理算法

標(biāo)記-整理算法中的“標(biāo)記”階段和“標(biāo)記-清理”中的標(biāo)記一樣。不同的是嘁锯，死亡對象并不會直接清理宪祥，而是把他們在內(nèi)存中都移動到一起聂薪，然后一起清理。

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4.4 分代收集算法

分代收集算法其實(shí)沒什么新東西蝗羊，只是把對象按存活率分塊藏澳，然后選用合適的收集算法。

java中使用的就是分代收集算法耀找。

存活率低的對象放在一起翔悠，稱為年輕代，使用復(fù)制算法來收集野芒。

存活率高的對象放在一起蓄愁，稱為老年代，使用標(biāo)記-清除或者標(biāo)記-整理算法狞悲。

5. HotSpot的枚舉GC Roots

前面我們說到了對象的可達(dá)性分析需要從GC Roots開始計(jì)算引用鏈撮抓。

然而可作為GC Roots的對象非常多，一個個來計(jì)算將非常耗時摇锋。

而且在進(jìn)行這項(xiàng)工作時丹拯，虛擬機(jī)必須停下來，就像時間停止那樣（Sun稱之為Stop The World荸恕，哈哈乖酬，是不是很酷），以此保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性融求。

我們的程序咬像，特別是網(wǎng)站應(yīng)用，基本是上是一刻不停的在運(yùn)行的双肤。如果出現(xiàn)長時間的停止施掏，基本上是不可接受的。為了解決這個問題茅糜，各個虛擬機(jī)都采取了一些措施，盡量減少停頓時間（是的素挽，只能減少蔑赘，停頓是不可能消除的）。

我們來看看現(xiàn)在最流行的Hotspot虛擬機(jī)是怎么處理的预明。（還記得啥是HotSpot不缩赛？翻翻前幾篇文章）

5.1 OopMap

在HotSpot中，虛擬機(jī)把對象內(nèi)的什么偏移量上是什么類型的數(shù)據(jù)的信息存在到一個叫做“OopMap”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中撰糠。這樣在計(jì)算引用鏈時直接查OopMap即可酥馍，不用到整個內(nèi)存中去挨個找了，由此提高了分析速度阅酪。

5.2 安全點(diǎn)

然而旨袒，程序中的引用關(guān)系時時刻刻都在變化汁针，如果每次變化都要記錄到OopMap中，也是一項(xiàng)很大的負(fù)擔(dān)砚尽。所以施无，只有在程序執(zhí)行到了特定的位置，才會去記錄到OopMap中必孤。

這個“特定的位置”猾骡，就叫安全點(diǎn)。

這里面還有個問題敷搪，就是如何保證在GC發(fā)生時兴想，讓所有的線程正好到達(dá)安全點(diǎn)。

有兩種方式：

• 搶先式中斷（已經(jīng)沒人用了）

  搶先式中斷的思路是赡勘，先把所有線程中斷襟企，如果有線程沒有跑到安全點(diǎn)上，就恢復(fù)該線程狮含，讓它跑到安全點(diǎn)顽悼。

• 主動式中斷

  主動式中斷的做法是，設(shè)置一個中斷標(biāo)志几迄，這個標(biāo)志和安全點(diǎn)是重合的蔚龙。讓各個線程去輪詢這個標(biāo)志，發(fā)現(xiàn)需要中斷時映胁，線程就自己中斷掛起木羹。

5.3 安全區(qū)域

雖然安全點(diǎn)已經(jīng)完美解決了如何保證在GC發(fā)生時，讓所有的線程正好到達(dá)安全點(diǎn)的問題解孙。

但是有一些情況下坑填，線程失去了行為能力，比如線程處于sleep或者blocked狀態(tài)弛姜。這個時候線程無法去響應(yīng)JVM的中斷請求脐瑰，而JVM顯然也不肯能一直等待某幾個線程。該怎么辦呢廷臼？

這種情況就需要“安全區(qū)域”來解決苍在。

安全區(qū)域是指在一段代碼片段中，引用關(guān)系不會發(fā)生變化荠商，這個區(qū)域中任意地方開始GC都是安全的寂恬。

6.垃圾收集器

前面咱們說的都是垃圾收集的方法和思路，垃圾收集器則是具體的實(shí)現(xiàn)莱没。

先來看下hotSpot中垃圾收集器的總圖（到j(luò)dk1.8）

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6.1 并行和并發(fā)

在開始講解之前初肉，我們先了解一下什么是并行和并發(fā)。

并行：垃圾收集器是多線程同時工作的饰躲，但是用戶線程仍然處于等待狀態(tài)牙咏。

并發(fā)：用戶線程和垃圾收集器線程同時執(zhí)行（也有可能是交替執(zhí)行）臼隔。

下面咱們說說幾個常用的使用方案

6.1 jdk1.8默認(rèn)垃圾收集器

查看當(dāng)前使用的垃圾收集器可以使用以下命令：

~ java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

然后會看到以下內(nèi)容：

-XX:InitialHeapSize=134217728 -XX:MaxHeapSize=2147483648 -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseParallelGC
java version "1.8.0_151"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_151-b12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.151-b12, mixed mode)

可見jdk1.8默認(rèn)工作在Server模式下，默認(rèn)使用ParallelGC垃圾收集器眠寿。

如果要看更詳細(xì)的信息躬翁，還可以使用以下命令：

java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep GC

這個命令打印的內(nèi)容有點(diǎn)多，我們主要找值為true的信息盯拱。默認(rèn)情況會有以下兩行：

bool UseParallelGC                            := true    
bool UseParallelOldGC                          = true       

6.1.1 Parallel Scavenge收集器

從上面的總圖能看到盒发，這是一個工作在年輕代的收集器，使用復(fù)制算法狡逢，是一個并行的多線程收集器宁舰。

它的目標(biāo)是達(dá)到一個可控制的吞吐量。所謂吞吐量就是CPU用于運(yùn)行用戶代碼的時間與CPU總消耗時間的比值奢浑。比如虛擬機(jī)總共運(yùn)行了100分鐘蛮艰，其中垃圾收集花了1分鐘，那吞吐量就是99%雀彼。

6.1.2 Parallel Old收集器

Parallel Old是一個工作在老年代的收集器壤蚜，使用“標(biāo)記-整理”算法。也是一個關(guān)注吞吐量的垃圾收集器徊哑。

6.2 web應(yīng)用垃圾收集器方案

ParallelGC組合重視的是吞吐量袜刷，非常適合在后臺運(yùn)算而不需要太多交互的場景。

對于需要大量交互的應(yīng)用莺丑，比如web應(yīng)用著蟹，則需要更短的停頓時間。

所以大多數(shù)web應(yīng)用使用的是ParNew+CMS收集器方案梢莽。

6.2.1 ParNew收集器

parNew也是一個工作在年輕代的收集器萧豆，也使用復(fù)制算法，也是一個并行的多線程收集器昏名。

為什么我要使用這么多“也”……

好吧涮雷，parNew看起來和Parallel Scavenge一模一樣，但其實(shí)他們還是有區(qū)別的葡粒。

parNew是一個重視停頓時間收集器份殿。

不過它最大的特點(diǎn)是：可以和CMS收集器組隊(duì)工作。

Parallel Scavenge就不行…...

6.2.2 CMS收集器

CMS是一款十分優(yōu)秀的老年代垃圾收集器嗽交，響應(yīng)速度快、停頓時間短颂斜，是現(xiàn)在大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)公司的選擇夫壁，大家要好好掌握。

CMS使用“標(biāo)記-清除”算法沃疮，分為4個步驟：

• 初始標(biāo)記（STW）
• 并發(fā)標(biāo)記
• 重新標(biāo)記（STW）
• 并發(fā)清除

其中盒让，初始標(biāo)記很快梅肤，只是標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象。

并發(fā)標(biāo)記和重新標(biāo)記要Stop The World邑茄，并發(fā)標(biāo)記就是在標(biāo)記死亡對象姨蝴，重新標(biāo)記是為了修正并發(fā)標(biāo)記期間發(fā)生變動的那部分對象。

從耗時來看肺缕，并發(fā)標(biāo)記>重新標(biāo)記>初始標(biāo)記左医。

并發(fā)清除和并發(fā)標(biāo)記耗時最長，但收集器線程是和用戶線程一起并發(fā)執(zhí)行的同木，所以沒有停頓浮梢。

CMS固然優(yōu)秀，但也有一些缺點(diǎn)：

• 耗CPU資源

  收集器線程和用戶線程并發(fā)工作彤路，所以收集時會搶占CPU資源

• 無法處理浮動垃圾

  浮動垃圾是指在標(biāo)記過程之后出現(xiàn)的垃圾秕硝。這部分垃圾在本次回收中無法處理，只能等下次洲尊。

• 產(chǎn)生碎片空間

  使用“標(biāo)記-清除”算法就會有這個問題曲聂。不過可以通過參數(shù)設(shè)置開啟碎片整理，比如3次回收后就來一次帶碎片整理的回收后室。

6.3 G1收集器

G1收集器是目前最新的垃圾收集器他炊，到j(luò)dk1.7時達(dá)到可商用程度。

G1收集器可以同時hold住年輕代和老年代姆吭，不需要和別的收集器搭配使用榛做。

G1收集器使用的也是分代算法，它的思路是内狸，把內(nèi)存空間分成一個個小格子检眯，每個格子稱為一個Region。如下圖：

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優(yōu)先回收價值大的Region昆淡。

年輕代使用并發(fā)復(fù)制算法锰瘸，有STW。

老年代回收步驟大致可以分為以下幾個：

• 初始標(biāo)記（STW）
• 并發(fā)標(biāo)記
• 最終標(biāo)記（STW）
• 篩選回收（STW）

目前JDK1.9已經(jīng)默認(rèn)使用G1收集器昂灵，但是在JDK1.8版本中G1收集器似乎還有不少問題避凝，使用的還不多。

7.內(nèi)存分配策略

終于要放出這張圖了：

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其實(shí)我在一開頭就像放這張圖眨补，但是想著先講點(diǎn)前置知識管削，沒想到這一講，就叫講到這了…...

7.1 年輕代的策略

在年輕代分為三個區(qū)域撑螺，Eden區(qū)含思、Survivor1區(qū)、Survivor2區(qū)。有時候Survivor1區(qū)含潘、Survivor2區(qū)又叫from區(qū)和to區(qū)饲做。

對象優(yōu)先分配到Eden區(qū)。Eden區(qū)要滿的時候遏弱，會有一次復(fù)制回收盆均，把存活的對象放到Survivor1區(qū)。

等Eden區(qū)再次要滿的時候漱逸，又會有一次復(fù)制回收泪姨，把Eden區(qū)和Survivor1區(qū)的存活對象放到Survivor2區(qū)。

然后如此循環(huán)虹脯。

7.2 大對象的策略

虛擬機(jī)提供了一個-XX:PretenureSizeThreshold參數(shù)驴娃，大于這個參數(shù)的對象會直接進(jìn)入老年代，防止年輕代發(fā)生大量內(nèi)存復(fù)制循集。

7.3 晉升策略

年輕代的對象沒熬過一次Minor GC唇敞，年齡就加一歲。默認(rèn)15歲時咒彤，就會進(jìn)入老年代疆柔。

不過這個條件并非絕對，如果Survivor中相同年齡的對象總和大于Survivor空間的一半镶柱，那么年齡大于等于該年齡的對象可以直接晉升到老年代旷档。

7.4 空間分配擔(dān)保

年輕代在Minor GC后會有對象進(jìn)入老年代，在極端情況下歇拆，年輕代所有對象都存活并進(jìn)入老年代鞋屈。

所以在MinorGC之前，虛擬機(jī)會檢查老年代的連續(xù)內(nèi)存空間是否大于年輕代所有對象總和故觅。

如果空間不夠厂庇，那么這次MinorGC是有風(fēng)險的。

如果允許冒險输吏，Minor GC會直接執(zhí)行权旷，如果失敗，會再發(fā)起一次full GC贯溅。

如果不允許冒險拄氯，則先執(zhí)行一次full GC，再進(jìn)行Minor GC它浅。

第三部分：面試題答案

1. GC 是什么? 為什么要有 GC?

   GC就是垃圾回收译柏，釋放掉沒用的對象占用的空間，保證內(nèi)存空間不被迅速耗盡姐霍。

2. 簡單說一下java的垃圾回收機(jī)制艇纺。

   java采用分代回收，分為年輕代邮弹、老年代黔衡、永久代。年輕代又分為E區(qū)腌乡、S1區(qū)盟劫、S2區(qū)。

   到j(luò)dk1.8与纽，永久代被元空間取代了侣签。

   年輕代都使用復(fù)制算法，老年代的收集算法看具體用什么收集器急迂。默認(rèn)是PS收集器影所，采用標(biāo)記-整理算法。

3. JVM的常見垃圾回收算法有哪些僚碎？

   復(fù)制猴娩、標(biāo)記清除、標(biāo)記整理勺阐、分代回收

4. 為什么要使用分代回收機(jī)制卷中？

   因?yàn)闆]有一種算法能適用所有場合。在對象存活率低的場景下渊抽，復(fù)制算法最合適蟆豫。

   對象存活率高時，標(biāo)記清除或者標(biāo)記整理算法最合適懒闷。

   所以才需要分代來處理十减。

5. 如何判斷一個對象是否存活?

   現(xiàn)在主流使用的都是可達(dá)性分析法。從GC Roots對象計(jì)算引用鏈愤估，能鏈上的就是存活的帮辟。

6. 如果對象的引用被置為 null，垃圾收集器是否會立即釋放對象占用的內(nèi)存?

   不會灵疮。對象回收需要一個過程织阅，這個過程中對象還能復(fù)活。而且垃圾回收具有不確定性震捣，指不定什么時候開始回收荔棉。

引用文獻(xiàn)

如何簡單理解GC roots和 gc的標(biāo)記過程

理解Java中的弱引用

理解Java中的弱引用（Weak Reference）

Java PhantomReference詳解

《深入理解Java虛擬機(jī)》
系列文章總目錄：https://mp.weixin.qq.com/s/56JgXLArTAEDj1f3y4arLA