深入理解JVM - 垃圾收集器与内存分配策略 - 第三章

引用计数算法——判断对象是否存活的算法

很多教科书判断对象是否存活的算法是这样的：给对象添加一个引用计数器，每当一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

客观的说，引用计数算法（Referene Counting）的实现简单，判断效率也很高，在大部分情况下是一个不错的算法，但是主流的JVM里面没有选用引用技术算法来管理内存，其中呢最主要的原因是它很难解决对象之间循环引用的问题。

可达性分析算法——判断对象是否存活的算法

主流的商用程序语言（Java、C#）的主流实现中，都是通过可达性分析（Reachability Analysis）来判断对象是否存活的。算法基本思想：通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说，就是从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。

在Java语言中，可作为GC Roots的对象包括以下几种：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）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（即一般说的Native方法）引用的对象。

4中引用——引用强度依次减弱

强引用：程序代码中普遍存在的，类似“Object obj = new Object()”这类的引用，只要强引用还存在，垃圾回收器永远不会回收掉被引用的对象。

软引用：用来描述一些还有用但并非必需的对象。对于软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。

弱引用：也是用来描述非必需对象的，但是它的强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾回收发生之前。当垃圾回收器工作时，无论当前内存是否足够，都将回收掉只被弱引用关联的对象。

虚引用：也称为幽灵引用或幻影引用，它是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实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

垃圾收集算法

标记 - 清除算法

最基础的收集算法是“标记 - 清除”（Mark-Sweep）算法，后续的收集算法都是基于这种思路并对其缺点进行改进而得到的。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，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。它的主要缺点有两个：一个是效率问题，标记和清除过程的效率都不高；另外一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致，当程序在以后的运行过程中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。

复制算法

为了解决效率问题，“复制”（Copying）的收集算法出现，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。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其中的一块进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为原来的一半，未免太高了一点。

现代商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代。将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和其中的一块Survivor。当回收时，将Eden和Suirvor中还存活着的对象一次性地拷贝到另一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才使用过的Survivor的空间。如果另一块Survivor空间没有足够的空间存放上一次新生代收集下来的存活对象，这些对象将直接通过分配担保机制进入老年代。

标记 - 整理算法

复制收集算法在对象存活率较高时就要执行较多的复制操作，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，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。

根据老年代的特点，有人提出了另外一种“标记-整理”（Mark-Compact）算法，标记过程仍然与“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，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

分代收集算法

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法，根据对象的存活周期的不同将内存划分为几块。一般把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适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。

垃圾收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论，垃圾收集器就是内存回收的具体实现。

Sun HotSpot虚拟机1.6版Update22包含的所有收集器：

Serial收集器

Serial收集器是最基本/历史最悠久的收集器。是一个单线程收集器，在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程（Sun将这件事情称之为“Stop The World”），直到它收集结束。

Serial收集器是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。

ParNew收集器
ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。
新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。
ParNew收集器是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器。

内存分配与回收策略
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区中没有足够的空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。
新生代GC（Minor GC）：指发生在新生代的垃圾收集动作，因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。
老年代GC（Major GC/Full GC）：指发生在老年代的GC，出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC（但非绝对的）。Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。

大对象直接进老年代
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及数组。大对象对虚拟机的内存分配来说就是一个坏消息，经常出现大对象容易导致内存还有不少空间时就提前触发垃圾收集以获得足够的连续空间来“安置”它们。