最近學(xué)習(xí)Python的GC機(jī)制時(shí)，想到了java的GC，忘得差不多了，(⊙﹏⊙)b??！這里便做一下回顧總結(jié)。推薦周志明譯本的《深入理解Java虛擬機(jī)》。

1. Java內(nèi)存模型

1.1 程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器，是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看作當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值，來獲取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴計(jì)數(shù)器來完成。

這部分的內(nèi)存區(qū)域是線程私有的。JVM中的多線程是通過線程輪流切換，每個(gè)線程在CPU分配的時(shí)間片執(zhí)行的方式來實(shí)現(xiàn)的。任何一時(shí)刻，每個(gè)CPU內(nèi)核都只會(huì)執(zhí)行一個(gè)線程，線程切換的時(shí)候會(huì)保存上一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，以便下次切換會(huì)這個(gè)任務(wù)時(shí)再加載這個(gè)任務(wù)。程序計(jì)數(shù)器的作用就是在做上下文切換的時(shí)候，可以讓程序恢復(fù)到正確的位置。

1.2 Java虛擬機(jī)棧

Java虛擬機(jī)棧也是線程私有的，它的生命周期和線程相同。虛擬機(jī)描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、返回值等信息。每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就雪瑩這一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過程。

通常會(huì)粗粒度的把Java內(nèi)存劃分為堆內(nèi)存（Heap）和棧內(nèi)存（Stack），這里的棧內(nèi)存講的就是虛擬機(jī)棧（局部變量表部分）。

局部變量存放了編譯器可知的各種基本數(shù)據(jù)類型、引用類型。64位的long和double類型數(shù)據(jù)會(huì)占用2個(gè)局部變量空間，其余數(shù)據(jù)類型只占用1個(gè)。局部變量表所需要的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法在棧中分配多大的空間是確定的，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小。

1.3 本地方法棧

本地方法棧和虛擬機(jī)棧的作用是非常類似的，在HotSpot虛擬機(jī)中把這兩部分合到了一起。本地方法棧和虛擬機(jī)棧的區(qū)別是：虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法(即字節(jié)碼)服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的native方法服務(wù)。

1.4 Java堆

Java堆是JVM所管理的內(nèi)存中最大的一塊，它是被所有線程所共享的一塊內(nèi)存區(qū)域。在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。

Java堆是GC管理的主要區(qū)域。從內(nèi)存回收的角度來看，由于現(xiàn)在基本上都采用分代回收算法，Java堆還可以分為新生代和老年代，后面小節(jié)會(huì)詳細(xì)介紹。

Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間，只要邏輯上是連續(xù)的即可。在實(shí)現(xiàn)中，既可以實(shí)現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴(kuò)展的。可以通過-Xmx（最大值）和-Xms（最小值）配置。

1.5 方法區(qū)

方法區(qū)也是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖然JVM規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一部分，它卻有一個(gè)別名（Non-Heap）非堆。

有人稱方法區(qū)為永久代，但其實(shí)永久代只是HotSpot虛擬機(jī)對(duì)方法去這個(gè)概念的實(shí)現(xiàn)。在JDK1.8，永久代已被移除，用元空間代替，元空間不再使用虛擬機(jī)內(nèi)存，而直接使用本地的系統(tǒng)內(nèi)存。

方法區(qū)中有一部分叫做常量池，用來存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容在類加載后放入方法區(qū)的常量池中。

1.6 直接內(nèi)存

主要用在NIO中，它提供了一個(gè)DirectByteBuffer對(duì)象，可以直接直接訪問系統(tǒng)內(nèi)存，可以避免在Java堆和Native堆中來回切換數(shù)據(jù)。

2. 對(duì)象創(chuàng)建過程

1. 首先虛擬機(jī)會(huì)檢查常量池中類的信息，如果沒有，需要先加載類信息。檢查通過后，JVM將為新生對(duì)象分配內(nèi)存，對(duì)象所需的內(nèi)存大小在類加載完之后就可以確定，為對(duì)象分配空間的任務(wù)其實(shí)就是將一塊確定大小的內(nèi)存從Java堆中劃分出來。

   分配內(nèi)存有兩種方式：

   • 指針碰撞：假設(shè)堆中的內(nèi)存是絕對(duì)規(guī)整的，所有使用過的內(nèi)存都放在一遍，空閑的內(nèi)存放在另一邊，中間放著一個(gè)指針作為分界點(diǎn)的指示器，那么為新對(duì)象分配內(nèi)存時(shí)只需要將指針向空閑空間的那邊挪動(dòng)一段與對(duì)象大小相等的距離即可
   • 空閑列表：假設(shè)堆中的內(nèi)存不是規(guī)整的，已使用的內(nèi)存和空閑的內(nèi)存相互交錯(cuò)，虛擬機(jī)就必須維護(hù)一個(gè)列表，記錄哪些內(nèi)存時(shí)可用的，在分配的時(shí)候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給新的對(duì)象，并更新列表上的記錄

2. 內(nèi)存分配完成后，JVM將分配到的內(nèi)存空間都初始化零值

undefined接下來JVM要對(duì)對(duì)象進(jìn)行必要的設(shè)置，例如對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例，如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息、對(duì)象的哈希碼、對(duì)象的GC分代年齡，這些信息將保存在對(duì)象的對(duì)象頭中

undefined下面將是執(zhí)行init，根據(jù)編寫的代碼對(duì)對(duì)象進(jìn)行初始化，對(duì)象創(chuàng)建完成

3. Java引用類型

Java中將引用分為了四種類型：強(qiáng)引用（Strong Reference），軟引用（Soft Reference），弱引用（Weak Reference），虛引用（Phantom Reference）。

• 強(qiáng)引用：指的是類似Object obj=new Object()這樣顯示聲明的對(duì)象引用，是最普遍存在的引用，只要強(qiáng)引用還在，GC永遠(yuǎn)不會(huì)回收掉被引用的對(duì)象，即使拋出OutOfMemmoryError，使程序終止。
• 軟引用：用來描述一些還有用但非必需的對(duì)象。對(duì)于軟引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象，在系統(tǒng)即將發(fā)生OOM錯(cuò)誤之前，將會(huì)對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行回收，如果這次回收還沒有足夠的內(nèi)存，才會(huì)拋出內(nèi)存溢出異常?？梢允褂肧oftReference類來實(shí)現(xiàn)軟引用?？梢允褂密浺脕順?gòu)建緩存。
• 弱引用：用來描述非必須對(duì)象，優(yōu)先級(jí)比軟引用要低，在垃圾收集器工作時(shí)，無論當(dāng)前內(nèi)存是否足夠，都會(huì)回收掉只被弱引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象
• 虛引用：最弱的一種引用關(guān)系，一個(gè)對(duì)象是否有虛引用的存在，不會(huì)對(duì)其生存時(shí)間構(gòu)成影響，也無法通過虛引用來獲取一個(gè)對(duì)象實(shí)例。為一個(gè)對(duì)象設(shè)置虛引用關(guān)聯(lián)的唯一目的就是能在這個(gè)對(duì)象被收集器回收時(shí)收到一個(gè)系統(tǒng)通知。

4. 垃圾檢測(cè)

垃圾回收（Garbage Collection）是JVM垃圾回收器提供的一種在空閑時(shí)間，不定時(shí)回收無任何引用對(duì)象占用的內(nèi)存空間的一種機(jī)制。那么如何判定一個(gè)對(duì)象已經(jīng)沒有任何引用了呢？

4.1 引用計(jì)數(shù)法

每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，當(dāng)一個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建初始化后，該數(shù)字就為1。每當(dāng)別的地方引用它時(shí)，計(jì)數(shù)器就會(huì)加1。當(dāng)引用失效（如超出作用域，引用指向新的對(duì)象等），計(jì)數(shù)器就會(huì)減1。如果對(duì)象的引用計(jì)數(shù)為0，則就會(huì)被GC回收。

引用計(jì)數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行簡(jiǎn)單、判定效率高。缺點(diǎn)是無法解決對(duì)象之間的循環(huán)引用問題。

# python簡(jiǎn)單演示循環(huán)引用
class C():
    def __init__(self):
        print('內(nèi)存地址是:%s' % str(hex(id(self))))

def test():
        c1 = C()
        c2 = C()
        c1.t = c2 # &c2的引用計(jì)數(shù)加1，變?yōu)?
        c2.t = c1 # &c1的引用計(jì)數(shù)加1，變?yōu)?
        del c1 # c1指向的對(duì)象引用計(jì)數(shù)減1，變?yōu)?
        del c2 # c2指向的對(duì)象引用數(shù)減1，變?yōu)?
test()

# 即使是將當(dāng)前對(duì)象的引用刪除，由于原來c1和c2對(duì)象中還引用著彼此，所以引用計(jì)數(shù)都不為0，無法被GC回收

4.2 可達(dá)性分析算法

Java通常采用可達(dá)性分析（Reachability Analysis）來判定對(duì)象是否存活的。它是從離散數(shù)學(xué)中的圖論引入的。

基本思路是：先找到一組對(duì)象作為GC Roots（根節(jié)點(diǎn)），然后從根節(jié)點(diǎn)開始遍歷，遍歷結(jié)束后，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)對(duì)象與GC Roots沒有任何引用鏈相連（即該對(duì)象不可達(dá)），就證明該對(duì)象就是不可用的垃圾對(duì)象，GC會(huì)在接下來清除它們。

即使是循環(huán)引用的對(duì)象，如果與根節(jié)點(diǎn)沒有引用鏈，依然會(huì)被GC回收。

以下對(duì)象可以作為GC Roots:

• 虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中的引用的對(duì)象
• 方法區(qū)中的類靜態(tài)屬性以及常量引用的對(duì)象
• 本地方法棧中Native方法引用的對(duì)象
• 存活的線程

在使用可達(dá)性分析遍歷對(duì)象圖的時(shí)候，有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意：

• GC停頓：在整個(gè)分析期間不能出現(xiàn)對(duì)象引用關(guān)系還在不斷變化的情況，所以在GC進(jìn)行的時(shí)候必須要停頓所有的線程（Stop The World），停頓的位置稱為安全點(diǎn)（Safepoint），一般在循環(huán)的末尾、方法返回前、拋出異常的位置等。如果發(fā)生GC的時(shí)候，線程還沒有執(zhí)行到一個(gè)安全點(diǎn)，線程繼續(xù)執(zhí)行，到達(dá)下一個(gè)安全點(diǎn)的的時(shí)候暫停，然后等待GC；
• finialize()：在可達(dá)性分析中不可達(dá)的對(duì)象，真正宣判它的死亡，需要兩次標(biāo)記過程：
  • 如果對(duì)象在進(jìn)行可達(dá)性分析過后沒有與GC Roots相連，那么它會(huì)被第一次標(biāo)記并且進(jìn)行第一次篩選，篩選的條件是此對(duì)象有沒有必要執(zhí)行finalize()方法。當(dāng)對(duì)象沒有覆蓋finalize方法或者已經(jīng)被JVM調(diào)用過，該對(duì)象會(huì)被視作“沒有必要執(zhí)行”。
  • 如果對(duì)象被判定為有必要finalize()方法，那么這個(gè)對(duì)象將會(huì)被放置在一個(gè)F-Queue隊(duì)列中，并在稍后由一條由虛擬機(jī)自動(dòng)建立的、低優(yōu)先級(jí)的Finalizer線程去執(zhí)行finalize()方法。由于finalize()只會(huì)被系統(tǒng)調(diào)用一次，這是對(duì)象完成“自我救贖”的最后一次機(jī)會(huì)。稍后GC將對(duì)F-Queue中的對(duì)象進(jìn)行第二次小規(guī)模的標(biāo)記，如果要在finalize()方法中成功拯救自己，只要在finalize()方法中讓該對(duì)象重新引用鏈上的任何一個(gè)對(duì)象建立關(guān)聯(lián)即可。而如果對(duì)象這時(shí)還沒有關(guān)聯(lián)到任何鏈上的引用，那它就會(huì)被回收掉。
  • 建議盡量不要去使用finalize()方法。

5. 垃圾回收

5.1 標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）

標(biāo)記-清除算法是最基礎(chǔ)的收集算法。它分為兩個(gè)階段：

• 標(biāo)記：標(biāo)記階段的任務(wù)就是標(biāo)記出所有需要被回收的對(duì)象
• 清除：回收被標(biāo)記對(duì)象所占用的內(nèi)存空間

優(yōu)點(diǎn)：不需要移動(dòng)對(duì)象，僅需要對(duì)不存活的對(duì)象進(jìn)行處理，在對(duì)象存活率較高的場(chǎng)景下極為高效

缺點(diǎn)：

• 效率問題：標(biāo)記和清除的效率都不高，需要維護(hù)一張空閑列表
• 空間問題：標(biāo)記清除后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，當(dāng)分配大對(duì)象時(shí)，因?yàn)檎也坏阶銐虻倪B續(xù)內(nèi)存空間而不得不提前觸發(fā)另一次GC

5.2 標(biāo)記-整理（Mark-Compact）

與標(biāo)記-清除法類似，但標(biāo)記過后不是對(duì)可回收對(duì)象進(jìn)行清理， 而是將所有存活的對(duì)象都向一段，然后直接清理掉邊界以外的內(nèi)存。

優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)過整理過后，新對(duì)象的分配只需要指針碰撞即可完成，而且不會(huì)再有碎片問題

缺點(diǎn)：需要將所有的對(duì)象都拷貝到一個(gè)新的地址，并且更新引用地址，GC停頓較長

5.3 復(fù)制（Copying）

該算法的提出是為了解決句柄開銷和內(nèi)存碎片問題。它將可用內(nèi)存分為大小相等的兩塊區(qū)域，每次只使用其中一塊。當(dāng)一塊中的內(nèi)存用完了，就將還存活的對(duì)象復(fù)制到另外一塊區(qū)域上面，然后將使用過的內(nèi)存空間一次性清理掉。

優(yōu)點(diǎn)：

• 標(biāo)記和復(fù)制階可以同時(shí)執(zhí)行
• 每次是對(duì)整塊半?yún)^(qū)進(jìn)行回收，在對(duì)象存活率較低的場(chǎng)景下效率較高
• 分配對(duì)象時(shí)不用考慮碎片問題

缺點(diǎn)：實(shí)際可用內(nèi)存縮小為原來的一半

5.4 分代回收（Generational Collection）

JVM中采用的是分代回收，它根據(jù)對(duì)象的存活周期將內(nèi)存區(qū)域分為新生代和老年代。

新生代中：對(duì)象生命周期短，每次GC時(shí)都有大批對(duì)象死去，只有少量存活，比較適用于復(fù)制方法。

老年代：對(duì)象存活時(shí)間極長，比較實(shí)用于標(biāo)記-清理或標(biāo)記-整理方法。

Python中也采用分代回收方法，將對(duì)象分為0、1、2代，可參照文章了解。

6. Java中的分代回收

JVM中的堆內(nèi)存按照GC的角度可分為新生代和和老年代，新生代又可以分為三個(gè)部分：Eden和兩個(gè)Survivor區(qū)（Survivor0、Survivor1）。

新生代GC：Minor GC，非常頻繁，回收速度比較快

老年代GC：Major GC，一般會(huì)伴隨著Minor GC，對(duì)整個(gè)堆內(nèi)存做一次GC，所以也稱Full GC，頻次較低，速度較慢

6.1 新生代

幾乎所有新創(chuàng)建的對(duì)象都是放在了年輕代。新生代在GC時(shí)，采用的是復(fù)制算法，由于新生代中的對(duì)象生命周期大都很短，所以并不需要按照1:1的比例來劃分內(nèi)存空間，而是將內(nèi)存劃分為較大的Eden區(qū)，和兩塊較小的Survivor區(qū)，三者的比例一般是8:1:1，可以通過-XX:SurvivorRatio設(shè)置。

大部分對(duì)象是在Eden中生成。GC時(shí)大致的過程如下：

• 當(dāng)創(chuàng)建新的對(duì)象時(shí)，如果Eden空間不足時(shí)，會(huì)觸發(fā)一次Minor GC?；厥諘r(shí)，先將Eden區(qū)的存活對(duì)象復(fù)制到S0區(qū)
• 當(dāng)再次觸發(fā)Minor GC時(shí)，會(huì)將Eden和S0區(qū)存活的對(duì)象復(fù)制到S1區(qū)，清空Eden和S0區(qū)
• 每次Minor GC時(shí)，都會(huì)對(duì)Eden和其中一個(gè)Survivor區(qū)域操作，將存活的對(duì)象放入到另外一個(gè)Survivor區(qū)中，如此反復(fù)。
• 如果另外一塊Survior區(qū)沒有足夠空間存放上一次Mionr GC下存活的對(duì)象，這些對(duì)象將存放到老年代（這種稱之為分配擔(dān)保）
• 每當(dāng)對(duì)象在Survivor區(qū)經(jīng)歷一次GC存活下來，它的年齡將加1，如果年齡達(dá)到N（一般是15）歲，就會(huì)移動(dòng)到老年代中

6.2 老年代

老年代中存在的一般都是生命周期比較長的對(duì)象，它的空間也比新生代大很多（一般是2:1），一般采用的標(biāo)記-整理方法。需要注意的有以下幾點(diǎn)：

• 如上一小節(jié)所說，在新生代長期存活的對(duì)象將會(huì)被放入到老年代中

• 大對(duì)象（很長的字符串、長數(shù)組等）直接進(jìn)入老年代，大對(duì)象可能導(dǎo)致內(nèi)存還有不少空間時(shí)就提前觸發(fā)Minor GC以獲取足夠的連續(xù)空間，也可以避免在Eden和Survivor區(qū)之間發(fā)生大量的內(nèi)存復(fù)制。大對(duì)象的閾值可以通過參數(shù)設(shè)置

• Survivor空間中，如果相同年齡的對(duì)象大小總和，大于Survivor空間的一半，年齡大于等于該年齡的對(duì)象可以直接進(jìn)入老年代

• 當(dāng)老年代中的空間不足不足以存放即將升入老年代的對(duì)象時(shí)，會(huì)觸發(fā)一次Full GC。

• 發(fā)生Minor GC之前，由于可能存在大量對(duì)象存活的情況（假如100%存活），虛擬機(jī)會(huì)檢查老年代中剩余空間是否大于新生代所有對(duì)象總空間，如果這個(gè)條件成立，Minor GC可以確保是安全的。如果不成立，虛擬機(jī)會(huì)查看HandlePromotionFailure設(shè)置值是否允許擔(dān)保失敗。如果允許，那么會(huì)繼續(xù)檢查老年代中最大的可用連續(xù)空間，是否大于歷次晉升到老年代對(duì)象的平均大小。如果大于，將嘗試Minor GC。如果小于、或者設(shè)置中不允許擔(dān)保失敗，或者在Minor GC時(shí)擔(dān)保失敗，則會(huì)發(fā)生一次Full GC。

  總結(jié)

  以上粗淺的介紹了JAVA中的GC機(jī)制。由于每次GC都會(huì)造成GC停頓，所以在開發(fā)過程中，盡可能減少GC的開銷。比如盡可能不要顯式調(diào)用System.gc()、字符串拼接時(shí)盡量使用StringBuffer、能使用基本類型的地方不要使用包裝類等。