前言
JAVA GC（Garbage Collection，垃圾回收）機(jī)制是區(qū)別C++的一個(gè)重要特征，C++需要開(kāi)發(fā)者自己實(shí)現(xiàn)垃圾回收的邏輯，而JAVA開(kāi)發(fā)者則只需要專注于業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)，因?yàn)槔厥者@件繁瑣的事情JVM已經(jīng)為我們代勞了，從這一點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，JAVA還是要做的比較完善一些。但這并不意味著我們不用去理解GC機(jī)制的原理，因?yàn)槿绻涣私馄湓?，可能?huì)引發(fā)內(nèi)存泄漏、頻繁GC導(dǎo)致應(yīng)用卡頓,甚至出現(xiàn)OOM等問(wèn)題，因此我們需要深入理解其原理，才能編寫出高性能的應(yīng)用程序，解決性能瓶頸。
想要理解GC的原理，我們必須先理解JVM內(nèi)存管理機(jī)制，因?yàn)檫@樣我們才能知道回收哪些對(duì)象、什么時(shí)候回收以及怎么回收。
JVM內(nèi)存管理
根據(jù)JVM規(guī)范，JVM把內(nèi)存劃分成了如下幾個(gè)區(qū)域：
- 方法區(qū)（Method Area）
- 堆區(qū)（Heap）
- 虛擬機(jī)棧（VM Stack）
- 本地方法棧（Native Method Stack）
- 程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）
其中，方法區(qū)和堆所有線程共享。
方法區(qū)（Method Area）
方法區(qū)存放了要加載的類的信息（如類名、修飾符等）、靜態(tài)變量、構(gòu)造函數(shù)、final定義的常量、類中的字段和方法等信息。方法區(qū)是全局共享的，在一定條件下也會(huì)被GC。當(dāng)方法區(qū)超過(guò)它允許的大小時(shí)，就會(huì)拋出OutOfMemory：PermGen Space異常。
在Hotspot虛擬機(jī)中，這塊區(qū)域?qū)?yīng)持久代（Permanent Generation），一般來(lái)說(shuō)，方法區(qū)上執(zhí)行GC的情況很少，因此方法區(qū)被稱為持久代的原因之一，但這并不代表方法區(qū)上完全沒(méi)有GC，其上的GC主要針對(duì)常量池的回收和已加載類的卸載。在方法區(qū)上進(jìn)行GC，條件相當(dāng)苛刻而且困難。
運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分，用于存儲(chǔ)編譯器生成的常量和引用。一般來(lái)說(shuō)，常量的分配在編譯時(shí)就能確定，但也不全是，也可以存儲(chǔ)在運(yùn)行時(shí)期產(chǎn)生的常量。比如String類的intern（）方法，作用是String類維護(hù)了一個(gè)常量池，如果調(diào)用的字符”hello”已經(jīng)在常量池中，則直接返回常量池中的地址，否則新建一個(gè)常量加入池中，并返回地址。
堆區(qū)（Heap）
堆區(qū)是GC最頻繁的，也是理解GC機(jī)制最重要的區(qū)域。堆區(qū)由所有線程共享，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。堆區(qū)主要用于存放對(duì)象實(shí)例及數(shù)組，所有new出來(lái)的對(duì)象都存儲(chǔ)在該區(qū)域。
虛擬機(jī)棧（VM Stack）
虛擬機(jī)棧占用的是操作系統(tǒng)內(nèi)存，每個(gè)線程對(duì)應(yīng)一個(gè)虛擬機(jī)棧，它是線程私有的，生命周期和線程一樣，每個(gè)方法被執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生一個(gè)棧幀（Statck Frame），棧幀用于存儲(chǔ)局部變量表、動(dòng)態(tài)鏈接、操作數(shù)和方法出口等信息，當(dāng)方法被調(diào)用時(shí)，棧幀入棧，當(dāng)方法調(diào)用結(jié)束時(shí)，棧幀出棧。
局部變量表中存儲(chǔ)著方法相關(guān)的局部變量，包括各種基本數(shù)據(jù)類型及對(duì)象的引用地址等，因此他有個(gè)特點(diǎn)：內(nèi)存空間可以在編譯期間就確定，運(yùn)行時(shí)不再改變。
虛擬機(jī)棧定義了兩種異常類型：StackOverFlowError(棧溢出)和OutOfMemoryError（內(nèi)存溢出）。如果線程調(diào)用的棧深度大于虛擬機(jī)允許的最大深度，則拋出StackOverFlowError；不過(guò)大多數(shù)虛擬機(jī)都允許動(dòng)態(tài)擴(kuò)展虛擬機(jī)棧的大小，所以線程可以一直申請(qǐng)棧，直到內(nèi)存不足時(shí)，拋出OutOfMemoryError。
本地方法棧（Native Method Stack）
本地方法棧用于支持native方法的執(zhí)行，存儲(chǔ)了每個(gè)native方法的執(zhí)行狀態(tài)。本地方法棧和虛擬機(jī)棧他們的運(yùn)行機(jī)制一致，唯一的區(qū)別是，虛擬機(jī)棧執(zhí)行Java方法，本地方法棧執(zhí)行native方法。在很多虛擬機(jī)中（如Sun的JDK默認(rèn)的HotSpot虛擬機(jī)），會(huì)將虛擬機(jī)棧和本地方法棧一起使用。
程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）
程序計(jì)數(shù)器是一個(gè)很小的內(nèi)存區(qū)域，不在RAM上，而是直接劃分在CPU上，程序猿無(wú)法操作它，它的作用是：JVM在解釋字節(jié)碼（.class）文件時(shí)，存儲(chǔ)當(dāng)前線程執(zhí)行的字節(jié)碼行號(hào)，只是一種概念模型，各種JVM所采用的方式不一樣。字節(jié)碼解釋器工作時(shí)，就是通過(guò)改變程序計(jì)數(shù)器的值來(lái)取下一條要執(zhí)行的指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)等基礎(chǔ)功能都是依賴此技術(shù)區(qū)完成的。
每個(gè)程序計(jì)數(shù)器只能記錄一個(gè)線程的行號(hào)，因此它是線程私有的。
如果程序當(dāng)前正在執(zhí)行的是一個(gè)java方法，則程序計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令地址，如果執(zhí)行的是native方法，則計(jì)數(shù)器的值為空，此內(nèi)存區(qū)是唯一不會(huì)拋出OutOfMemoryError的區(qū)域。
GC機(jī)制
隨著程序的運(yùn)行，內(nèi)存中的實(shí)例對(duì)象、變量等占據(jù)的內(nèi)存越來(lái)越多，如果不及時(shí)進(jìn)行回收，會(huì)降低程序運(yùn)行效率，甚至引發(fā)系統(tǒng)異常。
在上面介紹的五個(gè)內(nèi)存區(qū)域中，有3個(gè)是不需要進(jìn)行垃圾回收的：本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧。因?yàn)樗麄兊纳芷谑呛途€程同步的，隨著線程的銷毀，他們占用的內(nèi)存會(huì)自動(dòng)釋放。所以，只有方法區(qū)和堆區(qū)需要進(jìn)行垃圾回收，回收的對(duì)象就是那些不存在任何引用的對(duì)象。
查找算法
- 引用計(jì)數(shù)法
- 可達(dá)性分析
引用計(jì)數(shù)法
給對(duì)象添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個(gè)地方引用它時(shí)，計(jì)數(shù)器加一。反之每當(dāng)一個(gè)引用失效時(shí)，計(jì)數(shù)器減一。當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)，則表示對(duì)象不被引用，即認(rèn)為該對(duì)象可以被回收了。但是這個(gè)算法有個(gè)明顯的缺陷：當(dāng)兩個(gè)對(duì)象相互引用，但是二者都已經(jīng)沒(méi)有作用時(shí)，理應(yīng)把它們都回收，但是由于它們相互引用，不符合垃圾回收的條件，所以就導(dǎo)致無(wú)法處理掉這一塊內(nèi)存區(qū)域。
可達(dá)性分析
設(shè)立若干根對(duì)象（GC Root），每個(gè)對(duì)象都是一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)對(duì)象找不到根時(shí)，就認(rèn)為該對(duì)象不可達(dá)。
java中，可以作為GC Roots的對(duì)象包括：
- java虛擬機(jī)棧中引用的對(duì)象
- 方法區(qū)中靜態(tài)變量引用的對(duì)象
- 方法區(qū)中常量引用的對(duì)象
- 本地方法棧中引用的對(duì)象
補(bǔ)充概念，在JDK1.2之后引入了四個(gè)概念：強(qiáng)引用、軟引用、弱引用、虛引用。
- 強(qiáng)引用：new出來(lái)的對(duì)象都是強(qiáng)引用，GC無(wú)論如何都不會(huì)回收，即使拋出OOM異常。
- 軟引用：只有當(dāng)JVM內(nèi)存不足時(shí)才會(huì)被回收。
- 弱引用：只要GC,就會(huì)立馬回收，不管內(nèi)存是否充足。
- 虛引用：可以忽略不計(jì)，JVM完全不會(huì)在乎虛引用，你可以理解為它是來(lái)湊數(shù)的，湊夠”四大天王”。它唯一的作用就是做一些跟蹤記錄，輔助finalize函數(shù)的使用。
最后總結(jié)，什么樣的類需要被回收：
a.該類的所有實(shí)例都已經(jīng)被回收；
b.加載該類的ClassLoad已經(jīng)被回收；
c.該類對(duì)應(yīng)的反射類java.lang.Class對(duì)象沒(méi)有被任何地方引用。
內(nèi)存分區(qū)
內(nèi)存主要被分為三塊：新生代（Youn Generation）、舊生代（Old Generation）、持久代（Permanent Generation）。三代的特點(diǎn)不同，造就了他們使用的GC算法不同，新生代適合生命周期較短，快速創(chuàng)建和銷毀的對(duì)象，舊生代適合生命周期較長(zhǎng)的對(duì)象，持久代在Sun Hotpot虛擬機(jī)中就是指方法區(qū)（有些JVM根本就沒(méi)有持久代這一說(shuō)法）。
新生代（Youn Generation）：大致分為Eden區(qū)和Survivor區(qū)，Survivor區(qū)又分為大小相同的兩部分：FromSpace和ToSpace。新建的對(duì)象都是從新生代分配內(nèi)存，Eden區(qū)不足的時(shí)候，會(huì)把存活的對(duì)象轉(zhuǎn)移到Survivor區(qū)。當(dāng)新生代進(jìn)行垃圾回收時(shí)會(huì)觸發(fā)Minor GC（也稱作Youn GC）。
舊生代（Old Generation）：舊生代用于存放新生代多次回收依然存活的對(duì)象，如緩存對(duì)象。當(dāng)舊生代滿了的時(shí)候就需要對(duì)舊生代進(jìn)行回收，舊生代的垃圾回收稱作Major GC（也稱作Full GC）。
持久代（Permanent Generation）：在Sun 的JVM中就是方法區(qū)的意思，盡管大多數(shù)JVM沒(méi)有這一代。
GC算法
常見(jiàn)的GC算法：復(fù)制、標(biāo)記-清除和標(biāo)記-壓縮
復(fù)制：
復(fù)制算法采用的方式為從根集合進(jìn)行掃描，將存活的對(duì)象移動(dòng)到一塊空閑的區(qū)域。
當(dāng)存活的對(duì)象較少時(shí)，復(fù)制算法會(huì)比較高效（新生代的Eden區(qū)就是采用這種算法），其帶來(lái)的成本是需要一塊額外的空閑空間和對(duì)象的移動(dòng)。
標(biāo)記-清除：
該算法采用的方式是從跟集合開(kāi)始掃描，對(duì)存活的對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記完畢后，再掃描整個(gè)空間中未被標(biāo)記的對(duì)象，并進(jìn)行清除。在Marking階段，需要進(jìn)行全盤掃描，這個(gè)過(guò)程是比較耗時(shí)的。清除階段清理的是沒(méi)有被引用的對(duì)象，存活的對(duì)象被保留。
標(biāo)記-清除動(dòng)作不需要移動(dòng)對(duì)象，且僅對(duì)不存活的對(duì)象進(jìn)行清理，在空間中存活對(duì)象較多的時(shí)候，效率較高，但由于只是清除，沒(méi)有重新整理，因此會(huì)造成內(nèi)存碎片。
標(biāo)記-壓縮：
該算法與標(biāo)記-清除算法類似，都是先對(duì)存活的對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記，但是在清除后會(huì)把活的對(duì)象向左端空閑空間移動(dòng)，然后再更新其引用對(duì)象的指針。
由于進(jìn)行了移動(dòng)規(guī)整動(dòng)作，該算法避免了標(biāo)記-清除的碎片問(wèn)題，但由于需要進(jìn)行移動(dòng)，因此成本也增加了。（該算法適用于舊生代）
垃圾收集器
在JVM中，GC是由垃圾回收器來(lái)執(zhí)行，所以，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，我們需要選擇合適的垃圾收集器，下面我們介紹一下垃圾收集器。
串行收集器（Serial GC）
Serial GC是最古老也是最基本的收集器，但是現(xiàn)在依然廣泛使用，JAVA SE5和JAVA SE6中客戶端虛擬機(jī)采用的默認(rèn)配置。比較適合于只有一個(gè)處理器的系統(tǒng)。在串行處理器中minor和major GC過(guò)程都是用一個(gè)線程進(jìn)行回收的。它的最大特點(diǎn)是在進(jìn)行垃圾回收時(shí)，需要對(duì)所有正在執(zhí)行的線程暫停（stop the world），對(duì)于有些應(yīng)用是難以接受的，但是如果應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求不是那么高，只要停頓的時(shí)間控制在N毫秒之內(nèi)，大多數(shù)應(yīng)用還是可以接受的，而且事實(shí)上，它并沒(méi)有讓我們失望，幾十毫秒的停頓，對(duì)于我們客戶機(jī)是完全可以接受的，該收集器適用于單CPU、新生代空間較小且對(duì)暫停時(shí)間要求不是特別高的應(yīng)用上，是client級(jí)別的默認(rèn)GC方式。
ParNew GC
基本和Serial GC一樣，但本質(zhì)區(qū)別是加入了多線程機(jī)制，提高了效率，這樣它就可以被用于服務(wù)端上（server），同時(shí)它可以與CMS GC配合，所以，更加有理由將他用于server端。
Parallel Scavenge GC
在整個(gè)掃描和復(fù)制過(guò)程采用多線程的方式進(jìn)行，適用于多CPU、對(duì)暫停時(shí)間要求較短的應(yīng)用，是server級(jí)別的默認(rèn)GC方式。
CMS (Concurrent Mark Sweep)收集器
該收集器的目標(biāo)是解決Serial GC停頓的問(wèn)題，以達(dá)到最短回收時(shí)間。常見(jiàn)的B/S架構(gòu)的應(yīng)用就適合這種收集器，因?yàn)槠涓卟l(fā)、高響應(yīng)的特點(diǎn)，CMS是基于標(biāo)記-清楚算法實(shí)現(xiàn)的。
CMS收集器的優(yōu)點(diǎn)：并發(fā)收集、低停頓，但遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到完美；
CMS收集器的缺點(diǎn)：
a. CMS收集器對(duì)CPU資源非常敏感，在并發(fā)階段雖然不會(huì)導(dǎo)致用戶停頓，但是會(huì)占用CPU資源而導(dǎo)致應(yīng)用程序變慢，總吞吐量下降。
b. CMS收集器無(wú)法處理浮動(dòng)垃圾，可能出現(xiàn)“Concurrnet Mode Failure”，失敗而導(dǎo)致另一次的Full GC。
c. CMS收集器是基于標(biāo)記-清除算法的實(shí)現(xiàn)，因此也會(huì)產(chǎn)生碎片。
G1收集器
相比CMS收集器有不少改進(jìn)，首先，基于標(biāo)記-壓縮算法，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片，其次可以比較精確的控制停頓。
Serial Old收集器
Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同樣使用一個(gè)單線程執(zhí)行收集，使用“標(biāo)記-整理”算法。主要使用在Client模式下的虛擬機(jī)。
Parallel Old收集器
Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多線程和“標(biāo)記-整理”算法。
RTSJ垃圾收集器
RTSJ垃圾收集器，用于Java實(shí)時(shí)編程。
總結(jié)
深入理解JVM的內(nèi)存模型和GC機(jī)制有助于幫助我們編寫高性能代碼和提供代碼優(yōu)化的思路與方向。
