JVM垃圾回收原理该怎么解析

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概述

Java运行时区域中，程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈三个区域随着线程的而生，随线程而死，这几个区域的内存分配和回收都具备确定性，不需要过多考虑回收问题。而Java堆和方法区则不一样，一个接口的多个实现类需要的内存不一样，一个方法的多个分支需要的内存可能也不一眼，我们只有在运行期，才能知道会创建的对象，这部分的内存分配和回收，是垃圾回收器所关注的。垃圾回收器需要完成三个问题：那些内存需要回收；什么时候回收以及如何回收。

那些垃圾需要回收

垃圾回收的基本思想是考察一个对象的可达性，即从根节点开始是否可以访问到这个对象，如果可以，则说明对象正在被使用，相反如果从根节点无法访问到这个对象，说明对象已经不再使用了，一般来说此对象就是需要被回收的。这个算法为根搜索算法。

可达性分析

但是实际中，一个不可达的对象有可能在某种条件下“复活”自己，那么对它的回收就是不合理的。为此给出一个对象可达性状态的定义，并规定了在什么状态下可以安全的回收对象。可达性对象包含了以下三种状态。

可达的：从根节点开始，按照引用节点，可以搜索到这个对象

可复活的：对象的所有引用都被释放，但是对象可能在finalize()方法中复活自己。

不可达的：对象的finalize()方法被调用，并且没有复活，那么就进入不可达状态。不可达的对象不可能会被“复活”，因为finalize()方法只能调用一次。

/** *  * <p>Description: 1.对象被GC时，可以通过finalize拯救 2.finalize只被调用一次 </p>  * @date 2019年8月25日  * @version 1.0 */public class FinalizeTest {  private static FinalizeTest currentObj;  @Override  protected void finalize() throws Throwable {    super.finalize();    System.out.println("finalize invoke");    //重新引用    currentObj = this;  }  public void alive() {    System.out.println("live");  }  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {    currentObj = new FinalizeTest();    currentObj = null;    System.gc();    //finalize优先级地，先等待    Thread.sleep(500);    if(currentObj == null) {      System.out.println("dead");    }else {      currentObj.alive();    }    currentObj = null;    System.gc();    //finalize优先级地，先等待    Thread.sleep(500);    if(currentObj == null) {      System.out.println("dead");    }else {      currentObj.alive();    }  }}

上面代码有一处一样的断码片段，但是得到的结果却并不相同，一次对象“拯救复活”成功，另一次失败，那么就可以被正常回收。

可以作为GC Roots包括下面几种：

虚拟机栈（栈帧中的本地表量表）中引用的对象  方法区中类静态属性引用的对象  方法区中常量引用的对象  本地方法栈中JNI引用（即一般Native的方法）的对象

四种引用类型

在JDK1.2之后对引用进行了扩充，分为强引用，软引用，弱引用，虚引用4种，这四种强度一次减弱。通过对引用的扩充，可以依据内存的使用来描述这样的对象：当内存足够，则保留内存中；如果内存空间进行垃圾回收后还是很紧张，则可以抛弃这类对象。很多系统的缓存功能符合这样的应用场景。

强引用

在Java中最常见的就是强引用， 把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到JVM也不会回收。因此强引用是造成Java内存泄漏的主要原因之一。

软引用

软引用需要用SoftReference类来实现，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中。

弱引用

弱引用需要用WeakReference类来实现，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。

虚引用

虚引用需要PhantomReference类来实现，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。 虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。

什时候回收

按HotSpot VM的serial GC的实现来看触发条件主要分为以下几种：

young GC：当young gen中的eden区分配满的时候触发。注意young GC中有部分存活对象会晋升到old gen，所以young GC后old gen的占用量通常会有所升高。  full GC：当准备要触发一次young GC时，如果发现统计数据说之前young GC的平均晋升大小比目前old gen剩余的空间大，则不会触发young GC而是转为触发full GC（因为HotSpot VM的GC里，除了CMS的concurrent collection之外，其它能收集old gen的GC都会同时收集整个GC堆，包括young gen，所以不需要事先触发一次单独的young GC）；或者，如果有perm gen的话，要在perm gen分配空间但已经没有足够空间时，也要触发一次full GC；或者System.gc()、heap dump带GC，默认也是触发full GC。

HotSpot VM里其它非并发GC的触发条件复杂一些，不过大致的原理与上面说的其实一样。并发GC的触发条件就不太一样。以CMS GC为例，它主要是定时去检查old gen的使用量，当使用量超过了触发比例就会启动一次CMS GC，对old gen做并发收集。

如何回收

如何回收主要就涉及到垃圾回收的算法了。下面介绍几种垃圾回收算法的思想。

标记清除法(Mark-Sweep)

标记清除算法是现代垃圾回收算法的思想基础。它主要分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。在标记阶段，首先通过根节点，标记所有从根节点开始的可达队对象，因此未被标记的对象就是未被引用的垃圾对象。然后在清除阶段，清除所有的未被标记的对象。

标记清除算法的不足有：效率的问题和标记清除后产生的大量不连续的内存碎片。而内存碎片太多可能会导致在分配大对象时，无法找到连续的内存而不得不提前触发另外一次垃圾回收。

复制算法(Coping)

复制算法的核心思想是：将原有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存活对象复制到未使用的内存块中，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，完成垃圾回收。

如果系统中的待回收的对象很多，复制算法需要复制的存活对象就会相对较少，真正的垃圾回收时刻，复制算法的效率就会很高。而且对象是在垃圾回收过程中的，统一复制到新的内存空间，再清除原来使用的内存，因此可以确保回收后的内存空间是没有碎片的。但是另一方面，复制算法的代价是需要使用更多的内存空间。

复制算法比较适用于新生代。因为新生代垃圾对象通常多余存活对象，复制算法的效率会比较高。

标记整理算法(Mark Compact)

在老年代，大部分的对象都是存活对象。如果依然用复制算法，由于存活的对象多，复制的成本也将提高。因此基于老年代的垃圾回收特性，需要使用其他的算法。标记整理算法是一种老年代的回收算法。它在标记算法的基础上做了一些优化。和标记清除算法一样，它也是从更节点开始，但是并不是清除未标记的对象，而是将存活的对象压缩到内存的一边，之后清除边界外所有空间。这种方法避免了碎片的产生，又不需要过多的内存空间，因此性价比比较高。

标记整理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的整理，因此也可以把它称为标记清除整理(MarkSweepComact)。

分代算法(Generational Collecting)

分代算法是根据对象存活周期不同将内存化为几块。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采用最合适的收集算法。新生代中的特点是对象朝生夕死，大约90%的新建对象会被回收，因此新生代适合复制算法。当一个对象经过几次回收后依然存活，对象就会被放入老年代的内存空间。在老年代中可以认为对象在一段时间内，甚至在程序的整个生命周期，是常驻内存的，可以对老年代使用标记清除和标记整理算法。

对于新生代和老年代来说，通常新生代的回收频率很高，但是每次回收的耗时都很短，而老年代回收的频率比较低，但是会消耗更多的时间。

分区算法(Region)

一般来说，相同条件下，堆空间越大，一次GC所需要的事件越长，从而产生的停顿也越长。为了更好的靠之停顿时间，将一块大的内存区域分割成多个大小形同的小区域，依据目标的停顿时间，每次回收若干个小区间，而不是整个堆空间，从而减少一次GC所产生的停顿。分区算法是将整个堆空间划分为连续的不同小区间。每个小区间独立使用，独立回收。

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