一.垃圾回收與算法

1.如何確定垃圾

（1）. 引用計(jì)數(shù)法

在 Java 中，引用和對象是有關(guān)聯(lián)的。如果要操作對象則必須用引用進(jìn)行。因此，很顯然一個簡單的辦法是通過引用計(jì)數(shù)來判斷一個對象是否可以回收。簡單說，即一個對象如果沒有任何與之關(guān)聯(lián)的引用，即他們的引用計(jì)數(shù)都不為 0，則說明對象不太可能再被用到，那么這個對象就是可回收對象。

（2）. 可達(dá)性分析

為了解決引用計(jì)數(shù)法的循環(huán)引用問題，Java 使用了可達(dá)性分析的方法。通過一系列的“GC roots”對象作為起點(diǎn)搜索。如果在“GC roots”和一個對象之間沒有可達(dá)路徑，則稱該對象是不可達(dá)的。

要注意的是，不可達(dá)對象不等價(jià)于可回收對象，不可達(dá)對象變?yōu)榭苫厥諏ο笾辽僖?jīng)過兩次標(biāo)記過程。兩次標(biāo)記后仍然是可回收對象，則將面臨回收。

2. 標(biāo)記清除算法（Mark-Sweep）

最基礎(chǔ)的垃圾回收算法，分為兩個階段，標(biāo)注和清除。標(biāo)記階段標(biāo)記出所有需要回收的對象，清除階段回收被標(biāo)記的對象所占用的空間。如圖

從圖中我們就可以發(fā)現(xiàn)，該算法最大的問題是內(nèi)存碎片化嚴(yán)重，后續(xù)可能發(fā)生大對象不能找到可利用空間的問題。

3. 復(fù)制算法（copying）

為了解決 Mark-Sweep 算法內(nèi)存碎片化的缺陷而被提出的算法。按內(nèi)存容量將內(nèi)存劃分為等大小的兩塊。每次只使用其中一塊，當(dāng)這一塊內(nèi)存滿后將尚存活的對象復(fù)制到另一塊上去，把已使用的內(nèi)存清掉，如圖：

這種算法雖然實(shí)現(xiàn)簡單，內(nèi)存效率高，不易產(chǎn)生碎片，但是最大的問題是可用內(nèi)存被壓縮到了原本的一半。且存活對象增多的話，Copying 算法的效率會大大降低。

4. 標(biāo)記整理算法(Mark-Compact)

結(jié)合了以上兩個算法，為了避免缺陷而提出。標(biāo)記階段和 Mark-Sweep 算法相同，標(biāo)記后不是清理對象，而是將存活對象移向內(nèi)存的一端。然后清除端邊界外的對象。如圖：

5. 分代收集算法

分代收集法是目前大部分 JVM 所采用的方法，其核心思想是根據(jù)對象存活的不同生命周期將內(nèi)存劃分為不同的域，一般情況下將 GC 堆劃分為老生代(Tenured/Old Generation)和新生代(YoungGeneration)。老生代的特點(diǎn)是每次垃圾回收時只有少量對象需要被回收，新生代的特點(diǎn)是每次垃圾回收時都有大量垃圾需要被回收，因此可以根據(jù)不同區(qū)域選擇不同的算法。

（1）. 新生代與復(fù)制算法

目前大部分 JVM 的 GC 對于新生代都采取 Copying 算法，因?yàn)樾律忻看卫厥斩家厥沾蟛糠謱ο?，即要?fù)制的操作比較少，但通常并不是按照 1：1 來劃分新生代。一般將新生代劃分為一塊較大的 Eden 空間和兩個較小的 Survivor 空間(From Space, To Space)，每次使用Eden 空間和其中的一塊 Survivor 空間，當(dāng)進(jìn)行回收時，將該兩塊空間中還存活的對象復(fù)制到另一塊 Survivor 空間中。

（2）. 老年代與標(biāo)記復(fù)制算法

而老年代因?yàn)槊看沃换厥丈倭繉ο螅蚨捎?Mark-Compact 算法。

（2.1）. JAVA 虛擬機(jī)提到過的處于方法區(qū)的永生代(Permanet Generation)，它用來存儲 class 類，常量，方法描述等。對永生代的回收主要包括廢棄常量和無用的類。

（2.2）. 對象的內(nèi)存分配主要在新生代的 Eden Space 和 Survivor Space 的 From Space(Survivor 目前存放對象的那一塊)，少數(shù)情況會直接分配到老生代。

（2.3）. 當(dāng)新生代的 Eden Space 和 From Space 空間不足時就會發(fā)生一次 GC，進(jìn)行 GC 后，EdenSpace 和 From Space 區(qū)的存活對象會被挪到 To Space，然后將 Eden Space 和 FromSpace 進(jìn)行清理。

（2.4）. 如果 To Space 無法足夠存儲某個對象，則將這個對象存儲到老生代。

（2.5）. 在進(jìn)行 GC 后，使用的便是 Eden Space 和 To Space 了，如此反復(fù)循環(huán)。

（2.6）. 當(dāng)對象在 Survivor 區(qū)躲過一次 GC 后，其年齡就會+1。默認(rèn)情況下年齡到達(dá) 15 的對象會被移到老生代中。13/04/2018 Page 30 of 283

二.JAVA 四中引用類型

1. 強(qiáng)引用

在 Java 中最常見的就是強(qiáng)引用，把一個對象賦給一個引用變量，這個引用變量就是一個強(qiáng)引用。當(dāng)一個對象被強(qiáng)引用變量引用時，它處于可達(dá)狀態(tài)，它是不可能被垃圾回收機(jī)制回收的，即使該對象以后永遠(yuǎn)都不會被用到 JVM 也不會回收。因此強(qiáng)引用是造成 Java 內(nèi)存泄漏的主要原因之一。

2. 軟引用

軟引用需要用 SoftReference 類來實(shí)現(xiàn)，對于只有軟引用的對象來說，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存足夠時它不會被回收，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存空間不足時它會被回收。軟引用通常用在對內(nèi)存敏感的程序中。

3. 弱引用

弱引用需要用 WeakReference 類來實(shí)現(xiàn)，它比軟引用的生存期更短，對于只有弱引用的對象來說，只要垃圾回收機(jī)制一運(yùn)行，不管 JVM 的內(nèi)存空間是否足夠，總會回收該對象占用的內(nèi)存。

4. 虛引用

虛引用需要 PhantomReference 類來實(shí)現(xiàn)，它不能單獨(dú)使用，必須和引用隊(duì)列聯(lián)合使用。虛引用的主要作用是跟蹤對象被垃圾回收的狀態(tài)。

三.GC 分代收集算法 VS 分區(qū)收集算法

1. 分代收集算法

當(dāng)前主流 VM 垃圾收集都采用”分代收集”(Generational Collection)算法, 這種算法會根據(jù)對象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊, 如 JVM 中的 新生代、老年代、永久代，這樣就可以根據(jù) 各年代特點(diǎn)分別采用最適當(dāng)?shù)?GC 算法

（1）. 在新生代-復(fù)制算法

每次垃圾收集都能發(fā)現(xiàn)大批對象已死, 只有少量存活. 因此選用復(fù)制算法, 只需要付出少量 存活對象的復(fù)制成本就可以完成收集.

（2）. 在老年代-標(biāo)記整理算法

因?yàn)閷ο蟠婊盥矢?、沒有額外空間對它進(jìn)行分配擔(dān)保, 就必須采用“標(biāo)記—清理”或“標(biāo) 記—整理”算法來進(jìn)行回收, 不必進(jìn)行內(nèi)存復(fù)制, 且直接騰出空閑內(nèi)存.

2. 分區(qū)收集算法

分區(qū)算法則將整個堆空間劃分為連續(xù)的不同小區(qū)間, 每個小區(qū)間獨(dú)立使用, 獨(dú)立回收. 這樣做的 好處是可以控制一次回收多少個小區(qū)間 , 根據(jù)目標(biāo)停頓時間, 每次合理地回收若干個小區(qū)間(而不是 整個堆), 從而減少一次 GC 所產(chǎn)生的停頓。

四.GC 垃圾收集器

Java 堆內(nèi)存被劃分為新生代和年老代兩部分，新生代主要使用復(fù)制和標(biāo)記-清除垃圾回收算法；年老代主要使用標(biāo)記-整理垃圾回收算法，因此 java 虛擬中針對新生代和年老代分別提供了多種不 同的垃圾收集器，JDK1.6 中 Sun HotSpot 虛擬機(jī)的垃圾收集器如下：

1. Serial 垃圾收集器（單線程、復(fù)制算法）

Serial（英文連續(xù)）是最基本垃圾收集器，使用復(fù)制算法，曾經(jīng)是JDK1.3.1 之前新生代唯一的垃圾收集器。Serial 是一個單線程的收集器，它不但只會使用一個 CPU 或一條線程去完成垃圾收集工作，并且在進(jìn)行垃圾收集的同時，必須暫停其他所有的工作線程，直到垃圾收集結(jié)束。Serial 垃圾收集器雖然在收集垃圾過程中需要暫停所有其他的工作線程，但是它簡單高效，對于限 定單個 CPU 環(huán)境來說，沒有線程交互的開銷，可以獲得最高的單線程垃圾收集效率，因此 Serial 垃圾收集器依然是 java 虛擬機(jī)運(yùn)行在 Client 模式下默認(rèn)的新生代垃圾收集器。

2. ParNew 垃圾收集器（Serial+多線程）

ParNew 垃圾收集器其實(shí)是 Serial 收集器的多線程版本，也使用復(fù)制算法，除了使用多線程進(jìn)行垃 圾收集之外，其余的行為和 Serial 收集器完全一樣，ParNew 垃圾收集器在垃圾收集過程中同樣也 要暫停所有其他的工作線程。

ParNew 收集器默認(rèn)開啟和 CPU 數(shù)目相同的線程數(shù)，可以通過-XX:ParallelGCThreads 參數(shù)來限 制垃圾收集器的線程數(shù)。【Parallel：平行的】

ParNew雖然是除了多線程外和Serial 收集器幾乎完全一樣，但是ParNew垃圾收集器是很多 java 虛擬機(jī)運(yùn)行在 Server 模式下新生代的默認(rèn)垃圾收集器。

3. Parallel Scavenge 收集器（多線程復(fù)制算法、高效）

Parallel Scavenge 收集器也是一個新生代垃圾收集器，同樣使用復(fù)制算法，也是一個多線程的垃 圾收集器，它重點(diǎn)關(guān)注的是程序達(dá)到一個可控制的吞吐量（Thoughput，CPU 用于運(yùn)行用戶代碼 的時間/CPU 總消耗時間，即吞吐量=運(yùn)行用戶代碼時間/(運(yùn)行用戶代碼時間+垃圾收集時間)）， 高吞吐量可以最高效率地利用 CPU 時間，盡快地完成程序的運(yùn)算任務(wù)，主要適用于在后臺運(yùn)算而 不需要太多交互的任務(wù)。自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略也是 ParallelScavenge 收集器與 ParNew 收集器的一個 重要區(qū)別。

4. Serial Old 收集器（單線程標(biāo)記整理算法 ）

Serial Old 是 Serial 垃圾收集器年老代版本，它同樣是個單線程的收集器，使用標(biāo)記-整理算法， 這個收集器也主要是運(yùn)行在 Client 默認(rèn)的 java 虛擬機(jī)默認(rèn)的年老代垃圾收集器。 在 Server 模式下，主要有兩個用途：

（4.1）. 在 JDK1.5 之前版本中與新生代的 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。

（4.2）. 作為年老代中使用 CMS 收集器的后備垃圾收集方案。

新生代 Serial 與年老代 Serial Old 搭配垃圾收集過程圖：

新生代 Parallel Scavenge 收集器與 ParNew 收集器工作原理類似，都是多線程的收集器，都使用的是復(fù)制算法，在垃圾收集過程中都需要暫停所有的工作線程。新生代 Parallel Scavenge/ParNew 與年老代 Serial Old 搭配垃圾收集過程圖：

5. Parallel Old 收集器（多線程標(biāo)記整理算法）

Parallel Old 收集器是Parallel Scavenge的年老代版本，使用多線程的標(biāo)記-整理算法，在 JDK1.6 才開始提供。 在 JDK1.6 之前，新生代使用 ParallelScavenge 收集器只能搭配年老代的 Serial Old 收集器，只能保證新生代的吞吐量優(yōu)先，無法保證整體的吞吐量，Parallel Old 正是為了在年老代同樣提供吞 吐量優(yōu)先的垃圾收集器，如果系統(tǒng)對吞吐量要求比較高，可以優(yōu)先考慮新生代 Parallel Scavenge 和年老代 Parallel Old 收集器的搭配策略。

新生代 Parallel Scavenge 和年老代 Parallel Old 收集器搭配運(yùn)行過程圖：

五. CMS 收集器（多線程標(biāo)記清除算法）

Concurrent mark sweep(CMS)收集器是一種年老代垃圾收集器，其最主要目標(biāo)是獲取最短垃圾 回收停頓時間，和其他年老代使用標(biāo)記-整理算法不同，它使用多線程的標(biāo)記-清除算法。 最短的垃圾收集停頓時間可以為交互比較高的程序提高用戶體驗(yàn)。 CMS 工作機(jī)制相比其他的垃圾收集器來說更復(fù)雜，整個過程分為以下 4 個階段：

1. 初始標(biāo)記

只是標(biāo)記一下 GC Roots 能直接關(guān)聯(lián)的對象，速度很快，仍然需要暫停所有的工作線程。

2. 并發(fā)標(biāo)記

進(jìn)行 GC Roots 跟蹤的過程，和用戶線程一起工作，不需要暫停工作線程。

3. 重新標(biāo)記

為了修正在并發(fā)標(biāo)記期間，因用戶程序繼續(xù)運(yùn)行而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動的那一部分對象的標(biāo)記 記錄，仍然需要暫停所有的工作線程。

4. 并發(fā)清除

清除 GC Roots 不可達(dá)對象，和用戶線程一起工作，不需要暫停工作線程。由于耗時最長的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除過程中，垃圾收集線程可以和用戶現(xiàn)在一起并發(fā)工作，所以總體上來看 CMS 收集器的內(nèi)存回收和用戶線程是一起并發(fā)地執(zhí)行。 CMS 收集器工作過程：

5. G1 收集器

Garbage first 垃圾收集器是目前垃圾收集器理論發(fā)展的最前沿成果，相比與 CMS 收集器，G1 收集器兩個最突出的改進(jìn)是：

（5.1）. 基于標(biāo)記-整理算法，不產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

（5.2）. 可以非常精確控制停頓時間，在不犧牲吞吐量前提下，實(shí)現(xiàn)低停頓垃圾回收。G1 收集器避免全區(qū)域垃圾收集，它把堆內(nèi)存劃分為大小固定的幾個獨(dú)立區(qū)域，并且跟蹤這些區(qū)域 的垃圾收集進(jìn)度，同時在后臺維護(hù)一個優(yōu)先級列表，每次根據(jù)所允許的收集時間，優(yōu)先回收垃圾最多的區(qū)域。區(qū)域劃分和優(yōu)先級區(qū)域回收機(jī)制，確保 G1 收集器可以在有限時間獲得最高的垃圾收集效率

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