一、判断对象存活的两种方式

二、对象的finalization机制

三、标记-清除算法

四、复制算法

五、标记-整理算法

六、分代收集算法

七、增量收集算法

八、分区算法

九、总结

一、判断对象存活的两种方式

在堆里存放着几乎所有的Java对象实例，在GC执行垃圾回收之前，首先需要区分出内存中哪些是存活对象，哪些是已经死亡的对象。只有被标记为己经死亡的对象，GC才会在执行垃圾回收时，释放掉其所占用的内存空间，这个过程我们可以称为垃圾标记阶段。

那么在JVM中究竟是如何标记一个死亡对象呢？简单来说，当一个对象已经不再被任何的存活对象继续引用时，就可以宣判为已经死亡。

判断对象存活一般有两种方式：引用计数法和可达性分析算法。

【a】引用计数法（Reference Counting）

(一)、概念

引用计数法，比较简单，就是对每个对象保存一个整型的引用计数器属性，用于记录对象被引用的次数。

对于一个对象A，只要有任何一个对象引用了A，则A的引用计数器就加1；当引用失效时，引用计数器的值就减1，当计数器的值减到为0的时候，就表示对象A不再被使用，被标记为垃圾，可以回收。

(二)、优点

实现简单，垃圾对象便于辨识；
判定效率高，回收没有延迟性；

(三)、缺点

需要单独的字段存储计数器，增加了存储空间的开销；
每次赋值都需要更新计数器，伴随着加法和减法操作，增加了时间开销；
引用计数器有一个严重的问题，即无法处理循环引用的情况。正因为这一个缺陷，导致在Java的垃圾回收器中没有使用引用计数法。

(四)、循环引用问题

如下图，当p的指针断开的时候，内部的引用形成一个循环，这就是循环引用，从而造成内存泄漏。

我们使用一个案例来测试Java中是否采用的是引用计数算法：

public class StringTest10 {// 这个成员属性的唯一作用就是占用一点内存private byte[] bigSize = new byte[5 * 1024 * 1024];// 引用Object reference = null;public static void main(String[] args) {StringTest10 obj1 = new StringTest10();StringTest10 obj2 = new StringTest10();obj1.reference = obj2;obj2.reference = obj1;obj1 = null;obj2 = null;// 显式的执行垃圾收集行为，判断obj1 和 obj2是否被回收？System.gc();}
}

我们添加上JVM参数：-XX:+PrintGCDetails，运行结果如下：

[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 14051K->1050K(73728K)] 14051K->1058K(241664K), 0.0021935 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1050K->0K(73728K)] [ParOldGen: 8K->888K(167936K)] 1058K->888K(241664K), [Metaspace: 3321K->3321K(1056768K)], 0.0090022 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]
HeapPSYoungGen      total 73728K, used 1905K [0x000000076e000000, 0x0000000773200000, 0x00000007c0000000)eden space 63488K, 3% used [0x000000076e000000,0x000000076e1dc418,0x0000000771e00000)from space 10240K, 0% used [0x0000000771e00000,0x0000000771e00000,0x0000000772800000)to   space 10240K, 0% used [0x0000000772800000,0x0000000772800000,0x0000000773200000)ParOldGen       total 167936K, used 888K [0x00000006ca000000, 0x00000006d4400000, 0x000000076e000000)object space 167936K, 0% used [0x00000006ca000000,0x00000006ca0de0b0,0x00000006d4400000)Metaspace       used 3341K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768Kclass space    used 360K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

我们能够看到，上述进行了GC收集的行为，将上述的新生代中的两个对象都进行回收了。

PSYoungGen      total 73728K, used 1905K    //使用1m多，不足以存放我们定义的两个变量
eden space 63488K, 3% used

所以我们可以反推一下，如果Java使用引用计数法，那么这两个对象将会无法回收，而现在两个对象被回收了，也就说明Java使用的不是引用计数法来进行标记的。

(五)、小结：

引用计数算法，是很多语言的资源回收选择，例如Python(Python同时支持引用计数和垃圾收集机制)。具体哪种标记算法最优是要看场景的，业界有大规模实践中仅保留引用计数机制，以提高吞吐量的尝试。

Java并没有选择引用计数，是因为其存在一个基本的难题，也就是很难处理循环引用关系。

【b】根搜索算法(GC Roots根搜索算法)

(一)、概念

可达性分析算法，相对于引用计数算法而言，可达性分析算法不仅同样具备实现简单和执行高效等特点，更重要的是该算法可以有效地解决在引用计数算法中循环引用的问题，防止内存泄漏的发生。

(二)、算法思路

可达性分析算法是以根对象集合（GCRoots）为起始点，按照从上至下的方式搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达；
使用可达性分析算法后，内存中的存活对象都会被根对象集合直接或间接连接着，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain）；
如果目标对象没有任何引用链相连，则是不可达的，就意味着该对象己经死亡，可以标记为垃圾对象；
在可达性分析算法中，只有能够被根对象集合直接或者间接连接的对象才是存活对象；

(三)、GC Roots可以是哪些？

虚拟机栈中引用的对象

1. 比如：各个线程被调用的方法中使用到的参数、局部变量等。

本地方法栈内JNI（通常说的本地方法）引用的对象方法区中类静态属性引用的对象

1. 比如：Java类的引用类型静态变量

方法区中常量引用的对象

1. 比如：字符串常量池（string Table）里的引用

被同步锁synchronized持有的对象
Java虚拟机内部的引用

1. 基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（如：Nu11PointerException、outofMemoryError），系统类加载器。

反映java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等

(四)、注意

如果要使用可达性分析算法来判断内存是否可回收，那么分析工作必须在一个能保障一致性的快照中进行，这点不满足的话分析结果的准确性就无法保证。这点也是导致GC进行时必须“stop The World”的一个重要原因。即使是号称（几乎）不会发生停顿的CMS收集器中，枚举根节点时也是必须要停顿的。

二、对象的finalization机制

(一)、概念

Java语言提供了对象终止（finalization）机制来允许开发人员提供对象被销毁之前的自定义处理逻辑。

当垃圾回收器发现没有引用指向一个对象，即：垃圾回收此对象之前，总会先调用这个对象的finalize()方法。

//java.lang.Object#finalize
protected void finalize() throws Throwable { }

finalize() 方法允许在子类中被重写，用于在对象被回收时进行资源释放。通常在这个方法中进行一些资源释放和清理的工作，比如关闭文件、套接字和数据库连接等。

(二)、注意

永远不要主动调用某个对象的finalize() 方法，应该交给垃圾回收机制调用。理由包括下面三点：

在finalize() 时可能会导致对象复活；
finalize() 方法的执行时间是没有保障的，它完全由GC线程决定，极端情况下，若不发生GC，则finalize() 方法将没有执行机会；

1. 因为优先级比较低，即使主动调用该方法，也不会因此就直接进行回收。

一个糟糕的finalize() 会严重影响GC的性能；

由于finalize() 方法的存在，虚拟机中的对象一般处于三种可能的状态：可触及的、可复活的、不可触及的。

(三)、生存还是死亡？

如果从所有的根节点都无法访问到某个对象，说明对象己经不再使用了。一般来说，此对象需要被回收。但事实上，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段。一个无法触及的对象有可能在某一个条件下“复活”自己，如果这样，那么对它的回收就是不合理的，为此，定义虚拟机中的对象可能的三种状态。如下：

可触及的：从根节点开始，可以到达这个对象；
可复活的：对象的所有引用都被释放，但是对象有可能在finalize()中复活；
不可触及的：对象的finalize()被调用，并且没有复活，那么就会进入不可触及状态。不可触及的对象不可能被复活，因为finalize()只会被调用一次；

以上3种状态中，是由于finalize()方法的存在，进行的区分，只有在对象不可触及时才可以被回收。

(四)、具体过程

判定一个对象objA是否可回收，至少要经历两次标记过程：

如果对象objA到GC Roots没有引用链，即不可达，此时进行第一次标记；
然后进行筛选，判断此对象是否有必要执行finalize()方法：

1. 如果对象objA没有重写finalize()方法，或者finalize()方法已经被调用过，则虚拟机视为“没有必要执行”，objA被判定为不可触及的。
2. 如果对象objA重写了finalize()方法，且还未执行过，那么objA会被插入到F-Queue队列中，由一个虚拟机自动创建的、低优先级的Finalizer线程触发其finalize()方法执行。
3. finalize()方法是对象逃脱死亡的最后机会，稍后GC会对F-Queue队列中的对象进行第二次标记。如果objA在finalize()方法中与引用链上的任何一个对象建立了联系，那么在第二次标记时，objA会被移出“即将回收”集合。之后，对象会再次出现没有引用存在的情况。在这个情况下，finalize方法不会被再次调用，对象会直接变成不可触及的状态，也就是说，一个对象的finalize方法只会被调用一次。

下面我们使用重写 finalize()方法，然后在方法的内部，重新将其存放到GC Roots中，来模拟对象在finalize()中复活的场景。

/*** 测试Object类中finalize()方法* 对象复活场景*/
public class CanReliveObj {// 类变量，属于GC Roots的一部分public static CanReliveObj canReliveObj;//    @Override
//    protected void finalize() throws Throwable {
//        super.finalize();
//        System.out.println("调用当前类重写的finalize()方法");
//        canReliveObj = this;
//    }public static void main(String[] args) throws InterruptedException {canReliveObj = new CanReliveObj();canReliveObj = null;System.gc();System.out.println("-----------------第一次gc操作------------");// 因为Finalizer线程的优先级比较低，暂停2秒，以等待它Thread.sleep(2000);if (canReliveObj == null) {System.out.println("obj is dead");} else {System.out.println("obj is still alive");}System.out.println("-----------------第二次gc操作------------");canReliveObj = null;System.gc();// 下面代码和上面代码是一样的，但是 canReliveObj却自救失败了Thread.sleep(2000);if (canReliveObj == null) {System.out.println("obj is dead");} else {System.out.println("obj is still alive");}}
}

运行结果：

-----------------第一次gc操作------------
obj is dead
-----------------第二次gc操作------------
obj is dead

我们看到，此时我们是没有重写finalize()方法的，所以两次垃圾回收后，对象都是死亡状态。(实际上如果没有重写finalize()方法，第一次死亡之后，第二次肯定也是死亡的，都没必要等到第二次GC)。

下面我们放开finalize()方法的注释，重新运行程序，对比一下运行结果：

public class CanReliveObj {// 类变量，属于GC Roots的一部分public static CanReliveObj canReliveObj;@Overrideprotected void finalize() throws Throwable {super.finalize();System.out.println("调用当前类重写的finalize()方法");//当前待回收的对象在finalize()中与引用链上的一个对象obj建立了联系，成功复活canReliveObj = this;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {canReliveObj = new CanReliveObj();canReliveObj = null;System.gc();System.out.println("-----------------第一次gc操作------------");// 因为Finalizer线程的优先级比较低，暂停2秒，以等待它Thread.sleep(2000);if (canReliveObj == null) {System.out.println("obj is dead");} else {System.out.println("obj is still alive");}System.out.println("-----------------第二次gc操作------------");canReliveObj = null;System.gc();// 下面代码和上面代码是一样的，但是 canReliveObj却自救失败了Thread.sleep(2000);if (canReliveObj == null) {System.out.println("obj is dead");} else {System.out.println("obj is still alive");}}
}

运行结果：

-----------------第一次gc操作------------
调用当前类重写的finalize()方法
obj is still alive
-----------------第二次gc操作------------
obj is dead

我们可以看到，在进行第一次清除的时候，我们会执行finalize方法，在finalize()方法中，对象进行了一次自救操作，使对象复活，但是因为finalize()方法只会被调用一次，因此第二次该对象将会被垃圾清除。

三、标记-清除算法

前面介绍了JVM标记垃圾对象的两种方式，在标记完垃圾后，GC接下来就需要执行垃圾回收了，释放掉无用对象所占用的内存空间，以便有足够的可用内存空间为新对象分配内存。目前在JVM中比较常见的四种垃圾收集算法：

标记 - 清除算法（Mark-Sweep）
复制算法（copying）
标记 - 压缩算法（Mark-Compact）
分代垃圾回收算法

首先先来看下标记-清除算法。

(一)、执行过程

当堆中的有效内存空间被耗尽的时候，就会停止整个程序（也被称为stop the world），然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除。

标记：从GC Roots引用根节点开始遍历，标记所有被引用的对象。一般是在对象的Header中记录为可达对象。

1. 标记的是引用的对象，不是垃圾！
2. 标记的是引用的对象，不是垃圾！
3. 标记的是引用的对象，不是垃圾！(重要的事情说三遍！！)

清除：对堆内存从头到尾进行线性的遍历，如果发现某个对象在其Header中没有标记为可达对象，则将其回收。

(二)、什么是清除？

所谓的清除并不是真的置空，而是把需要清除的对象地址保存在空闲的地址列表里。下次有新对象需要加载时，判断垃圾的位置空间是否够，如果够，就存放覆盖原有的地址。

关于空闲列表，之前在为对象分配内存的时候提过。

如果内存规整

1. 采用指针碰撞的方式进行内存分配

如果内存不规整

1. 空闲列表分配，虚拟机需要维护一个列表-----空闲列表。

(三)、缺点

标记清除算法的效率不高；
在进行GC的时候，需要停止整个应用程序，用户体验较差；
这种方式清理出来的空闲内存是不连续的，产生内存碎片，需要维护一个空闲列表；

四、复制算法

(一)、核心思想

复制算法，就是将活着的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，最后完成垃圾回收。

把可达的对象，直接复制到另外一个区域中复制完成后，A区就没有用了，里面的对象可以直接清除掉，其实里面的新生代里面就用到了复制算法。

(二)、优点

没有标记和清除过程，实现简单，运行高效
复制过去以后保证空间的连续性，不会出现“内存碎片”问题

(三)、缺点

空间利用率不高，复制算法需要两倍的内存空间；
对于G1这种分拆成为大量region的GC，复制而不是移动，意味着GC需要维护region之间对象引用关系，不管是内存占用或者时间开销也不小；

(四)、注意

如果系统中的垃圾对象很多，复制算法要求存活对象数量不能太大，因为如果大量的对象存活，那么复制的对象将会有很多，效率会很低。

在新生代，新生代中的对象生命周期都比较短，存活对象不多，非常适合使用复制算法，一次通常可以回收70% - 99% 的内存空间，回收性价比很高，所以现在的商业虚拟机都是用这种收集算法回收新生代。

如下图，From和To区域每一次复制之后都会交换角色，谁空谁就是To区域。

五、标记-整理算法

(一)、执行过程

第一阶段：和标记清除算法一样，从根节点开始标记所有被引用对象；
第二阶段：将所有的存活对象压缩到内存的一端，按顺序排放。之后，清理边界外所有的空间；

(二)、标记整理算法与标记清除算法的区别

标记-压缩算法的最终效果等同于标记-清除算法执行完成后，再进行一次内存碎片整理，因此，也可以把它称为标记-清除-压缩（Mark-Sweep-Compact）算法。

二者的本质差异在于标记-清除算法是一种非移动式的回收算法，标记-压缩是移动式的。是否移动回收后的存活对象是一项优缺点并存的风险决策。可以看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被清理掉。如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。

(三)、优点

解决了标记清除算法产生内存碎片的问题，我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可；
解决了复制算法空间利用率，每次只能使用一半空间的问题；

(四)、缺点

从效率上来说，标记 - 整理算法要低于复制算法；
移动对象的同时，如果对象被其他对象引用，则还需要调整引用的地址；
移动过程中，需要全程暂停用户应用程序。即：STW；

(五)、小结

效率上来说，复制算法是当之无愧的老大，但是却浪费了太多内存。

而为了尽量兼顾上面提到的三个指标，标记 - 整理算法相对来说更平滑一些，但是效率上不尽如人意，它比复制算法多了一个标记的阶段，比标记 - 清除多了一个整理内存的阶段。

如下是三者的对比：

区别	标记 - 清除算法	标记 - 整理算法	复制算法
速率	中等	最慢	最快
空间开销	少（但会堆积碎片）	少（不堆积碎片）	通常需要活对象的2倍空间（不堆积碎片）
移动对象	否	是	是

综合我们可以知道，没有最好的算法，只有最合适的算法。

六、分代收集算法

分代收集算法，是基于这样一个事实：不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点使用不同的回收算法，以提高垃圾回收的效率。

在Java程序运行的过程中，会产生大量的对象，其中有些对象是与业务信息相关，比如Http请求中的Session对象、线程、Socket连接，这类对象跟业务直接挂钩，因此生命周期比较长。但是还有一些对象，主要是程序运行过程中生成的临时变量，这些对象生命周期会比较短，比如：string对象，由于其不变类的特性，系统会产生大量的这些对象，有些对象甚至只用一次即可回收。

在HotSpot中，基于分代的概念，GC所使用的内存回收算法必须结合年轻代和老年代各自的特点。

年轻代（Young Gen）

年轻代特点：区域相对老年代较小，对象生命周期短、存活率低，回收频繁。

这种情况复制算法的回收整理，速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对象大小有关，因此很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题，通过hotspot中的两个survivor的设计得到缓解。

老年代（Tenured Gen）

老年代特点：区域较大，对象生命周期长、存活率高，回收不及年轻代频繁。

这种情况存在大量存活率高的对象，复制算法明显变得不合适。一般是由标记-清除或者是标记-清除与标记-整理的混合实现。

Mark阶段的开销与存活对象的数量成正比；
Sweep阶段的开销与所管理区域的大小成正相关；
compact阶段的开销与存活对象的数据成正比；

以HotSpot中的CMS回收器为例，CMS是基于Mark-Sweep标记清除算法实现的，对于对象的回收效率很高。而对于碎片问题，CMS采用基于Mark-Compact算法的Serial old回收器作为补偿措施：当内存回收不佳（碎片导致的Concurrent Mode Failure时），将采用serial old执行Full GC以达到对老年代内存的整理。

七、增量收集算法

(一)、概述

上述现有的算法，在垃圾回收过程中，应用软件将处于一种stop the World的状态。在stop the World状态下，应用程序所有的线程都会挂起，暂停一切正常的工作，等待垃圾回收的完成。如果垃圾回收时间过长，应用程序会被挂起很久，将严重影响用户体验或者系统的稳定性。为了解决这个问题，即对实时垃圾收集算法的研究直接导致了增量收集（Incremental Collecting）算法的诞生。

如果一次性将所有的垃圾进行处理，需要造成系统长时间的停顿，那么就可以让垃圾收集线程和应用程序线程交替执行。每次垃圾收集线程只收集一小片区域的内存空间，接着切换到应用程序线程，依次反复，直到垃圾收集完成。

总的来说，增量收集算法的基础仍是传统的标记-清除和复制算法。增量收集算法通过对线程间冲突的妥善处理，允许垃圾收集线程以分阶段的方式完成标记、清理或复制工作。

(二)、缺点

使用这种方式，由于在垃圾回收过程中，间断性地还执行了应用程序代码，所以能减少系统的停顿时间。但是，因为线程切换和上下文转换的消耗，会使得垃圾回收的总体成本上升，造成系统吞吐量的下降。

八、分区算法

一般来说，在相同条件下，堆空间越大，一次GC时所需要的时间就越长，GC产生的停顿也越长。为了更好地控制GC产生的停顿时间，将一块大的内存区域分割成多个小块，根据目标的停顿时间，每次合理地回收若干个小区间，而不是整个堆空间，从而减少一次GC所产生的停顿。

分代算法将按照对象的生命周期长短划分成两个部分，分区算法将整个堆空间划分成连续的不同小区间。每一个小区间都独立使用，独立回收，这种算法的好处是可以控制一次回收多少个小区间。如下图：

九、总结

本篇文章从JVM标记垃圾常见的两种方式：引用计数法和可达性分析法，Hotspot使用的是可达性分析法，然后介绍了常见的几种垃圾回收算法：

标记清除算法：实现简单，但是会产生内存碎片；
复制算法：效率高，但是只能使用一半的空间，空间利用率不高；
标记整理算法：不会产生内存碎片、空间利用率也比较高，缺点是效率比复制算法低；
分代回收算法：新生代对象的生命周期比较短，回收频率高，故使用复制算法；老年代对象生命周期比较长，回收频率较低，故使用标记清除或者标记整理算法；
增量垃圾回收算法：每次垃圾收集线程只收集一小片区域的内存空间，接着切换到应用程序线程，依次反复，直到垃圾收集完成。分阶段进行垃圾回收，每次只回收一部分。缺点是线程需要切换上下文，带来一些额外的开销；
分区回收算法：划分为多个小区域，每次可控制只回收哪几块区域的垃圾，可以减少GC停顿时间；

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