Java虚拟机(五)——垃圾收集机制

1、垃圾回收介绍

   Java虚拟机内存划分讲到了Java 内存运行时区域的各个部分，其中程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈三个区域随线程而生，随线程而灭，栈中的栈帧随着方法的进入和退出有条不紊地执行着出栈和入栈操作。每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来是就已知了。因此这几个区域的内存分配和回收都具有确定性，在这几个区域就需要过多考虑回收的问题，因为方法结束或者线程结束时，内存自然就跟随着回收了。而Java 堆和方法区则不一样，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的。而垃圾收集器所关注的是这部分内存。

2、垃圾对象的判定方法

在堆里存放着Java中几乎所有的对象实例，在进行垃圾回收之前，首先要确定哪些对象应该被回收。

2.1 引用计数算法

   给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减一；任何时候计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

   这种方法特点就是，实现简单，判定效率也很高，大部分情况下都是一个不错的选择。但是很多主流的Java虚拟机没有选择使用引用计数法类管理内存，主要原因它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

public class MyObject {
public Object ref = null;
public static void main(String[] args) {
MyObject myObject1 = new MyObject();
MyObject myObject2 = new MyObject();
myObject1.ref = myObject2;
myObject2.ref = myObject1;
myObject1 = null;
myObject2 = null;
}
}

   循环引用导致myObject1和myObject2两个被引用次数均为2， 即使当两个对象都被置为null后，引用次数仍然为1，导致两个对象无法被回收。

2.2 可达性分析算法

在主流的商用程序语言（例如Java，C#）的主流实现中，都是通过可达性分析来判定对象是否存活的。

2.2.1 算法过程如下

   这个算法的基本思路就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称为引用链。当一个对象到GC roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的。如下图所示，对象object5,object6,object7虽然互相有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将会被判定为是可回收的对象。



2.2.2 Java 中，可作为GC Roots的对象包括下面几种

（1）虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。

（2）方法区中类静态属性引用的对象。

（3）方法区中常量引用的对象。

（4）本地方法栈中JNI(即一般说的Native方法)引用的对象。

   即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑阶段”,要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为”没有必要执行“。

   如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法，那么这个对象将会放置在一个叫做F-Queue的队列之中，并在稍后由一个虚拟机自动建立的，低优先级的Finalizer线程中去执行它。这里所谓的”执行”是指虚拟机会触发这个方法，但并不会保证会等待它运行结束，这样做的原因是，如果一个对象在finalize()方法中执行缓慢，或者发生了死循环(极端情况)，将很可能导致F-Queue队列中其他对象处于永久等待，甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象要在finalize(）中成功拯救自己——只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，譬如把自己（this关键字）赋值给某个类变量或者对象的成员变量，那在第二次标记时它将被移除出”即将回收”的集合；如果对象这时候还没有逃脱，那基本上它就真的被回收了。

2.3 垃圾收集算法

   实际上垃圾收集算法的实现涉及到大量的程序细节，而且各个平台的虚拟机操作内存的方法又各不相同，因此我们只讨论几种算法的基本思想。常见的垃圾收集算法主要涉及到这几种，标记——清除算法，复制算法，标记整理算法，分代收集算法等，下面一一作为介绍。

2.3.1 标记——清除算法

   这是一种最基础的收集算法（Mark-Sweep）。分为标记-清除两个阶段。



   标记阶段：先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象，它的标记过程其实就是上述的可达性分析算法中的标记过程。它是最基础的算法，后续的收集算法都是基于这种思路并对其不足进行改进而得到的。

不足之处主要有两个：

1.效率问题，标记和清除两个过程效率都不高。

2.空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的碎片，可能会导致后续程序需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。其执行过程如下图所示：

2.3.2 复制算法

   在上述标记——清除算法的基础上，为了解决效率问题，复制算法出现了，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动对顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。



   缺点就是，将内存缩小为原来的一半，代价较高；当对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。

   应用场景：应用于当今主流商业虚拟机新生代收集算法，所不同的是，实际的新生代收集算法，并不是将内存简单划分为等分的两半，而是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次只使用Eden和其中的一块Survivor。关于堆区和新生代等的具体内容可以参考 这篇《Java虚拟机(二)——堆内存划分》。

2.3.3标记——整理算法

   复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况，所以老年代一般不能直接选用这种算法。



   标记-整理算法（Mark-Compact）的标记过程与”标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存货的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

2.3.4 分代收集算法

   分代收集算法是当前商业虚拟机的垃圾收集机制都采用的算法。 分代收集算法并不是一种新的算法模型，它只是一种根据对象存活周期的不同特点而对不同收集算法的综合运用。具体来说就是对堆区所采用的垃圾收集方案。堆区分为新生代和老年代，新生代的特点就是，每次垃圾收集都会发现大批对象死去，只有少量存活，那么采用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集，这就是所谓的Minor GC 。老年代的特点就是对象存活率高，没有额外空间的对它进行分配担保，那么就必须使用 “标记-清除”或者”标记-整理”算法。