《深入理解Java虚拟机》之（二、垃圾收集器与内存分配策略）

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生，随线程而灭，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的问题，因为方法结束或者线程结束时，内存自然就跟着回收了，而java堆和方法区则不一样，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾收集器所关注的是这部分内存。

一、判断对象是否存活的方法

1.引用计数法（主流java虚拟机并没有采用这种方式）

所谓引用计数法，就是当引用对象时就+1，当引用失效时，计数器值就-1，任何时候当计数值为0的对象就是不可能在被使用了，为什么java虚拟机不用这个呢，因为这个无法解决对象互相循环引用问题。

例：对象A和对象B

A.instance=B;

B.instance=A;

除此之外就无对对象的操作，而此时无法用引用计数法来进行回收他们。

2.可达性分析算法（在主流的商用程序语言都是通过此来判断对象是否存活的）

算法思想：通过一系列的称为GC Roots对象作为起始点，从这些节点向下搜索，搜索所连接的路径称为引用链，当发现有对象与GC Roots对象无法通过引用链相连，则证明这些对象是不可用的，所以它们将被判定为是可回收的对象。

注意：在Java中，可作为GC Roots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. 方法区中常量与引用的对象。
4. 本地方法栈中JNI（一般说的Native方法）引用的对象。

二、再谈引用

在JDK1.2之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用4种，这四种引用强度依次逐渐减弱。

1. 强引用：类似于Object obj =new Object()这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。
2. 软引用：是描述一类还可用但非必需的对象，在内存还充足时保存，当将要发生内存溢出异常之前，将会对这些对象进行第二次回收，如果回收后还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。
3. 弱引用：非必需对象，在进行垃圾回收时，都会回收掉这些对象。
4. 虚引用：最弱的一种引用关系，一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象的实例，虚引用唯一目的就是当对象被收集器回收时收到一个通知。

三、生存还是死亡

要真正宣告对象的死亡，要经过两次标记过程；如果对象在进行可达性分析后没有与GC Roots相连接的引用链，那么它将被第一次标记并且进行一次筛选，筛选原则时finalize()方法是否有必要被执行，如果有必要则进入F-Queue队列，再队列中finalize()方法是对象逃脱死亡的最后一次机会，稍后GC会对队列进行第二次标记，如果对象要在finalize()方法中拯救自己——只要重新与引用链上的任意对象关联即可，如果没有关联，则死亡，注意finalize()方法只会被执行一次触发一次。

四、回收方法区

永久代的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。

判断一个常类是否是废弃常量比较简单，而判断一个类是否是废弃类则需要同时满足三个条件才能算是“无用的类”：

1. 该类的所有实例都已经回收。
2. 加载该类的ClassLoader已经被回收。
3. 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

五、垃圾收集算法

标记-清除算法

算法分为标记-清除两个阶段，首先标记出所有需要回收的对象，而在标记完成后统一回收所有被标记的对象。

不足：首先效率问题，效率都不高，其次容易造成内存碎片，当需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不触发另一次垃圾收集动作。

复制算法

为了解决效率问题，复制算法是将内存空间分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块，当这一块内存用完了，就将还存活的对象赋值到另一块上，在把这个内存空间清理一次。有点不需要考虑内存碎片问题，高效，缺点内存缩小到原来的一半，代价有点大。

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，效率会贬低，有人提出标记-整理算法：标记过程与标记清除算法相同，但后续不是清除，而是将对象向某一边移动，然后清理出端边界以外的内存。

分代收集算法

当前商业虚拟机都采用该方法，该方法一般根据对象存活周期的不同分成几块，java堆一般分成新生代和老年代，新生代朝生夕死，只存在少量的存活对象则采用复制算法，移动少量存活对象，而老年代则存活大部分对象，没有额外空间对它进行分配担保，则采用标记-清理算法或者标记-整理算法进行回收。

六、安全点

如果直接用GC Roots直接找引用链的话需要进行枚举，必然会消耗很多时间，所以采用OopMap的数据结构再特定的位置记录下那些地方存放着对象引用，而这些特定的位置称之为安全点，程序执行时并非再所有地方都能停顿下来开始GC，只有在到达安全点时才能暂停。

安全点停顿

如何在GC发生时，所有的线程都跑到最近的安全点上再停顿下来。两种方案：抢先式中断和主动式中断。

其中抢先式中断不需要线程的执行代码主动去配合，而是在GC发生时，中断所有线程，判断如果中断点不在安全点则恢复线程，让它跑到安全点中断，现在几乎没有虚拟机采用此方法暂停线程。

而主动式中断思想是建立标志位，当标志位为真时，就将自己挂起，标志位的设置与安全点是重合的。

安全区域

安全点看似已经解决进入GC的问题，但是当线程不执行的时候呢（处于Sleep状态），就无法响应JVM的中断请求，这种时候就需要安全区域（Safe Region）来解决。

安全区域是指在一段代码之中，引用关系不会发生变化。在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的，我们也可以把Safe Region看做是被扩展了的Safepoint。

七、垃圾收集器

如果说收集方法是内存回收的方法论，而垃圾收集器就是内存回收的具体实现。

如图所示展示了7种作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，就说明他们可以搭配使用。

Serial收集器

是最基本、发展历史最悠久的收集器，属于单线程收集器，当进行收集时必须暂停其他线程，这对很多应用来说是很难接受的。

ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。

Parallel Scavenge收集器

此收集器的特点是它的关注点与其他收集器不同，CMS等收集器的关注点时尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量。

停顿时间越短就越适合用户交互程序，良好的响应速度能提升用户体验，而高吞吐量则可以高效率的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。

Serial Old收集器

是Serial收集器的老年代版本。

Parallel Old收集器

是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法

重点：CMS收集器

CMS收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。特别适用于服务的交互服务上。

是基于“标记-清除”算法实现的，整个过程分为4个步骤

1. 初始标记
2. 并发标记
3. 重新标记
4. 并发清除

CMS收集器缺点

CMS收集器对CPU资源非常敏感。其实，面向并发设计的程序都对CPU资源比较敏感。

CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的产生。

CMS是一款基于“标记-清除”算法实现的收集器，则会产生大量的空间碎片，将会给大对象分配带来很大麻烦。

G1收集器

是当今收集器技术发展的最前沿成果之一，是一款面向服务端应用的垃圾收集器。

具备以下特点：

1. 并行与并发
2. 分代收集
3. 空间整合
4. 可预测的停顿

G1收集器的运作大致可划分为以下几个步骤

初始标记

并发标记

最终标记

筛选回收

八、内存分配与回收策略

对象的内存分配，往大方向讲，就是在堆上分配，对象主要分配在新生代的Eden区上，如果启动了本地线程分配缓冲，将按线程优先在TLAB上分配。少数情况下也可能会直接分配在老年代中，分配的规则并不是百分之百固定的。

对象优先在Eden分配

大多数情况下，对象在新生代Eden区中分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。

大对象直接进入老年代

所谓的大对象是指，需要大量连续内存空间的java对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串以及数组。大对象对虚拟机的内存分配来说是一个坏消息。

长期存活的对象将进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存，那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生，哪些对象应放在老年代中。通过Minor GC来进行确定，建立一个对象年龄计数器，每进行一次Minor GC如果对象依然存在，则该对象的年龄增加一岁。当年龄达到某一个阈值时，就进入老年代中。

动态对象年龄判断

为了更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到了MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果在Survivor空间中相同年龄对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。