java垃圾收集

文章开始前考虑一下java程序中什么才是所谓的“垃圾”，回想我们之前说的详见上篇博客 java程序运行时jvm内存分配，其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法区都是线程私有的，随线程生和灭；栈中的栈帧随方法的开始和退出进行着入栈和出栈操作，每一个栈帧中分配多少内存基本在类结构确定下来后就已知了，这几个区域的内存分配和回收具备确定性。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不同，每个方法需要的内存也不一样，我们只有在程序处于运行期间才知道创建的对象，这部分对象的内存分配和回收都是动态的，垃圾收集器所关注的就是这部分内存。

1. 对象死了吗？

在垃圾收集前，垃圾收集器首先要判断对象是否已经“死了”（不可能再通过任何途径使用的对象）。判断对象是否存活的方式有以下几种常见的。

**1.1 引用计数法（Reference Counting）**

给对象添加一个引用计时器，每当有一个地方引用它，计数器值加一；当引用失效时，计数器值减一；当计数器为0时，认为该对象是不可能再被使用的。
优点： 实现简单，判定效率高；
缺点： java对象的引用关系复杂，很难解决对象之间互相循环引用的问题。如下代码所示：

public class ReferCountGCTest{public Object instance = null;private static final int _1MB = 1024*1024;//用于占内存private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];public static void main(String []args){ReferCountGCTest a = new ReferCountGCTest();ReferCountGCTest b = new ReferCountGCTest();a.instance = b;b.instance = a;a = null;b = null;//gc,a和b能否被回收？System.gc();}
}

这段测试代码里面，令a.instance = b;b.instance = a;除此之外这两个对象再无引用，之后令a和b都为null，实际上这两个对象都不可能再被访问，但是它们互相引用着对方，因此各自的引用计数都不为0，则无法被gc。因此在java虚拟机中不是使用的引用计数法来管理内存。

**1.2 可达性分析算法(Reachability Analysis)**

主流的商用程序语言都是通过可达性分析来判断对象是否存活。算法思想为：通过一系列被称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些根节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链时，此对象不可达即认为此对象是不可用的。如图：

其中对象5、6、7虽然相互之间有关联，但是都是不可达的，所以会被判定为可回收的对象。

在java语言中，可作为GC Roots的对象包括：
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引用的对象。

2. 垃圾收集算法

判断完什么是垃圾之后，在进行垃圾收集时候主要有有如下算法：

2.1 标记-清除算法

标记-清除算法（Mark-Sweep）是最基础的算法，后续算法都是基于其思路进行改良的。与其名字一样，算法分为标记和清除两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，标记完成后统一回收被标记的对象。它的不足主要有两个：一个是效率低，标记和清除的效率都不高，另一个问题是清除之后会产生大量的不连续的内存碎片。空间碎片多了之后当需要给一个较大的对象分配内存时，会因为无法找到足够的连续内存而提前触发一次垃圾收集。但实际上，剩下的内存总量够这个对象分配。
优点：实现方便
缺点：效率低，会产生内存碎片

2.2 复制算法

为了解决上述问题，复制（Copying）算法出现了，它将内存按容量划分为大小相等的两块。每次只使用其中一块内存，当一块内存用完了，就将还存活的对象复制到另一块内存上，然后将已使用的内存一次清理掉，这样每次只要对半个区进行内存回收，也解决了内存碎片问题（只需要在转移时移动堆顶指针，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，代价太大了！
优点：不会产生内存碎片，效率高于标记-清除。
缺点：牺牲了内存容量

现在的商用虚拟机都采用这种算法思想回收新生代，因为新生代的对象98%的都是“短命”的，是“朝生夕死”的。因此并不需要按1:1的比例划分内存空间，而是将新生代内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor，在回收时，将Eden和该Survivor中还存活的对象一次性复制到另一块Survivor区上，然后清理掉Eden和用过的Survivor空间。HotSpot虚拟机默认的Eden和Survivor大小比例为8:1，即新生代可用内存空间占整个新生代容量的80%+10%=90%，只有10%暂时被浪费掉。

这里插入一个说明，我们没法保证每次回收只有不多于10%的对象存活，当Survivor空间不够转移的时候，老年代空间会进行分配担保。即另一块Survivor不够存放上一次新生代收集后存活的对象时，，这些对象会进入老年代。正常情况下，对象每在Survivor区中“躲过”一次回收，“岁数”就会加一，直到一个我们设定的值后就会进入老年代

复制算法在对象存活率较高的情况下就不适用了，因为较高的存活率意味着更多的复制操作和更多的额外担保空间，因此老年代一般不直接使用复制算法。

2.3 标记-整理算法

根据老年代的特点，有人提出了“标记-整理”（Mark-Compact）算法，标记过程与“标记-清除”算法一样，但是之后不是直接对可回收对象进行清理，而是让存活的对象向一段移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。这样不会产生碎片，也避免了大量复制。
优点：不会产生内存碎片，比复制算法节约空间
缺点：整理内存空间需要额外开销。

2.4 分代收集算法

分代收集（Generational Collection）算法本身不是新的算法思想，只是按对象各自的特点奖内存划分为几块，一般是java堆分为新生代和老年代。对于新生代，其中的对象都比较“短命”，存活率低，使用复制算法，只需要复制少量存活对象即可完成收集；对于老年代，其中对象存活率高、没有额外空间进行分配担保，需要使用“标记-清除”或者“标记-整理”算法进行回收。现在的虚拟机一般都采用“分代收集”算法进行垃圾收集。

本文讲述了java虚拟机判断对象是否死亡（成为“垃圾”）的方法，和常用的垃圾收集算法。参考《深入理解java虚拟机》

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