1.概述

提到垃圾回收，顧名思義，就是把已經(jīng)分配出去的，但卻不再使用的內(nèi)存回收回來(lái)。對(duì)于JVM來(lái)說(shuō)，垃圾指的是在堆中死亡的對(duì)象所占據(jù)的內(nèi)存空間。

那么自然而然的，我們就能夠提出一個(gè)問(wèn)題：怎么知道對(duì)象死沒(méi)死？由這個(gè)問(wèn)題讓我們引出倆個(gè)比較有名的思路：

1.引用計(jì)數(shù)法

引用計(jì)數(shù)法是一個(gè)頗為古老的方式，原因它有致命的缺點(diǎn)。先不說(shuō)缺點(diǎn)，咱們看一看它的思路。

它的做法是為每個(gè)對(duì)象添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，用來(lái)統(tǒng)計(jì)指向該對(duì)象的引用個(gè)數(shù)。一旦某個(gè)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)器為0，則說(shuō)明該對(duì)象已經(jīng)死亡，便可以被回收了。

它的具體實(shí)現(xiàn)是這樣子的：如果有一個(gè)引用，被賦值為某一對(duì)象，那么將該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)器+1。如果一個(gè)指向某一對(duì)象的引用，被賦值為其他值，那么將該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)器 -1。

對(duì)于引用計(jì)數(shù)法來(lái)說(shuō)，除了需要額外的空間來(lái)存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器，以及繁瑣的更新計(jì)數(shù)器以外；引用計(jì)數(shù)法還有一個(gè)重大的漏洞：無(wú)法處理循環(huán)引用。

假設(shè)對(duì)象 a 與 b 相互引用，除此之外沒(méi)有其他引用指向 a 或者 b。在這種情況下，a 和 b 實(shí)際上已經(jīng)死了，但由于它們的引用計(jì)數(shù)器皆不為 0，在引用計(jì)數(shù)法的心中，這兩個(gè)對(duì)象還活著。因此，這種情況下就造成了內(nèi)存泄露。

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因?yàn)閙ain方法才是我們需要的對(duì)象，正在使用的，那么 A-B-C-D都是在使用的，但是 E-F-H三者互相引用，導(dǎo)致無(wú)法用標(biāo)記清除法回收。

所以目前 Java 虛擬機(jī)的主流垃圾回收器采取的是可達(dá)性分析算法。

2.可達(dá)性分析

2.1、基本概念

這種算法的思路在于：將一系列被稱為GC Roots的變量作為初始的存活對(duì)象合集，然后從該合集出發(fā)，所有能夠被該集合引用到的對(duì)象，并將其加入到該集合中，而不能被該合集所引用到的對(duì)象，并可對(duì)其宣告死亡。

那么什么是 GC Roots 呢？

注意這句話：GC Roots是一些由堆外指向堆內(nèi)的引用，

一般而言，GC Roots 包括（但不限于）如下幾種：

Java 方法棧楨中的局部變量；已加載類的靜態(tài)變量；JNI handles；已啟動(dòng)且未停止的 Java 線程。可達(dá)性分析可以解決引用計(jì)數(shù)法所不能解決的循環(huán)引用問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，即便對(duì)象 a 和 b 相互引用，只要從 GC Roots 出發(fā)無(wú)法到達(dá) a 或者 b，那么a和b就是死亡的對(duì)象。

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如這個(gè)圖，網(wǎng)上的資料一般都沒(méi)說(shuō)，根是什么？根就可以理解為main方法，你main方法就是根，你這這里new出來(lái)的對(duì)象，就是最開始的根，比如A。

根可達(dá)就是從mian方法往里面找，一直能找到最末尾的都是可達(dá)的，比如CD，但是 EFH三個(gè)，從根是找不到的，這就是垃圾。

雖然可達(dá)性分析的算法本身很簡(jiǎn)明，但是在實(shí)踐中還是有不少其他問(wèn)題需要解決的。

2.2、多線程環(huán)境存在問(wèn)題

在多線程環(huán)境下，其他線程可能會(huì)更新已經(jīng)訪問(wèn)過(guò)的對(duì)象中的引用，而我們的可達(dá)性分析線程卻沒(méi)有同步到最新的內(nèi)容。那么就會(huì)造成誤報(bào)或者漏報(bào)。

對(duì)于JVM來(lái)說(shuō)漏報(bào)頂多損失了部分垃圾回收的機(jī)會(huì)。漏報(bào)則比較麻煩，因?yàn)槔厥掌骺赡芑厥樟巳员灰玫膶?duì)象…

怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？

2.2.1、Stop-the-world以及安全點(diǎn)

在 Java 虛擬機(jī)里，傳統(tǒng)的垃圾回收算法采用的是一種簡(jiǎn)單粗暴的方式，那便是 Stop-the-world，停止其他非垃圾回收線程的工作，直到完成垃圾回收。這也就造成了垃圾回收所謂的暫停時(shí)間（GC pause）。

Java 虛擬機(jī)中的 Stop-the-world 是通過(guò)安全點(diǎn)（safepoint）機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng) Java 虛擬機(jī)收到 Stop-the-world 請(qǐng)求，它便會(huì)等待所有的線程都到達(dá)安全點(diǎn)，才會(huì)停止所有線程，并允許請(qǐng)求Stop-the-world的那個(gè)線程進(jìn)行獨(dú)占的工作。

當(dāng)然也并非蠻橫的強(qiáng)制停止，畢竟多線程情況下，啥事都可能發(fā)生。安全點(diǎn)的初始目的并不是讓其他線程停下，而是找到一個(gè)穩(wěn)定的執(zhí)行狀態(tài)。在這個(gè)執(zhí)行狀態(tài)下，Java 虛擬機(jī)的堆棧不會(huì)發(fā)生變化。

3、垃圾回收的三種方式

通過(guò)上文我們聊到的可達(dá)性分析，我們可以對(duì)死亡對(duì)象宣判死刑。那么接下來(lái)我們便可以對(duì)死亡對(duì)象進(jìn)行回收工作了。主流的基礎(chǔ)回收方式可分為三種。

3.1、清除（sweep）

常見(jiàn)的一種叫法：標(biāo)記清除

思想：把死亡對(duì)象所占據(jù)的內(nèi)存標(biāo)記為空閑內(nèi)存，并記錄在一個(gè)空閑列表（free list）之中。當(dāng)需要新建對(duì)象時(shí)，內(nèi)存管理模塊便會(huì)從該空閑列表中尋找空閑內(nèi)存，并劃分給新建的對(duì)象。

清除這種回收方式的原理及其簡(jiǎn)單，但是有兩個(gè)缺點(diǎn)：

1. 造成內(nèi)存碎片。由于 Java 虛擬機(jī)的堆中對(duì)象必須是連續(xù)分布的，因此可能出現(xiàn)總空閑內(nèi)存足夠，但是無(wú)法分配的極端情況。比如：總空間100M，此時(shí)我們需要申請(qǐng)100M的數(shù)組。但是由于內(nèi)存不連續(xù)，因此我們就會(huì)申請(qǐng)失敗。
2. 分配效率較低。如果是一塊連續(xù)的內(nèi)存空間，那么我們可以通過(guò)指針加法（pointer bumping）來(lái)做分配。而對(duì)于空閑列表，Java 虛擬機(jī)則需要逐個(gè)訪問(wèn)列表中的項(xiàng)，來(lái)查找能夠放入新建對(duì)象的空閑內(nèi)存。

3.2、壓縮（compact）

常見(jiàn)的一種叫法：標(biāo)記整理

思想：把存活的對(duì)象聚集到內(nèi)存區(qū)域的起始位置，從而留下一段連續(xù)的內(nèi)存空間。

這種做法優(yōu)缺點(diǎn)都比較的明顯：

優(yōu)點(diǎn)：能夠解決內(nèi)存碎片化的問(wèn)題缺點(diǎn)：壓縮算法的性能開銷

3.3、復(fù)制（copy）

思想：把內(nèi)存區(qū)域分為兩等分，分別用兩個(gè)指針 from 和 to 來(lái)維護(hù)，并且只是用 from 指針指向的內(nèi)存區(qū)域來(lái)分配內(nèi)存。當(dāng)發(fā)生垃圾回收時(shí)，便把存活的對(duì)象復(fù)制到 to 指針指向的內(nèi)存區(qū)域中，并且交換 from 指針和 to 指針的內(nèi)容。

這種做法的優(yōu)缺點(diǎn)同樣明顯：

優(yōu)點(diǎn)：能夠解決內(nèi)存碎片化的問(wèn)題缺點(diǎn)：堆空間的使用效率極其低下（畢竟分成兩半，一次只使用一半）

4、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方案

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的對(duì)象其實(shí)死的很快。因此，現(xiàn)在的垃圾回收器采用上述三種方式并存的思路：

一般是把Java堆分作新生代和老年代，根據(jù)各個(gè)年代的特點(diǎn)采用最適當(dāng)?shù)氖占惴ǎ?/p>

新生代中，每次垃圾收集時(shí)都發(fā)現(xiàn)有大批對(duì)象死去，只有少量存活，那就用復(fù)制算法，只要少量復(fù)制成本就可以完成收集。老年代中因?yàn)閷?duì)象的存活率較高、周期長(zhǎng)，就用標(biāo)記-整理或標(biāo)記-清除算法來(lái)回收。稍稍正式官方的描述：Java 虛擬機(jī)將堆劃分為新生代和老年代。其中，新生代又被劃分為 Eden 區(qū)，以及兩個(gè)大小相同的 Survivor 區(qū)。分別用 from 和 to 來(lái)指代。其中 to 指向的 Survivior 區(qū)是空的。

如果Eden區(qū)不夠分配，那么就會(huì)觸發(fā)Minor GC。而此時(shí)Eden 區(qū)和 from 指向的 Survivor 區(qū)中的存活對(duì)象會(huì)被復(fù)制到 to 指向的 Survivor 區(qū)中，然后交換 from 和 to 指針，以保證下一次 Minor GC 時(shí)，to 指向的 Survivor 區(qū)還是空的。

Java 虛擬機(jī)會(huì)記錄 Survivor 區(qū)中的對(duì)象一共被來(lái)回復(fù)制了幾次。如果一個(gè)對(duì)象被復(fù)制的次數(shù)為 15，

可以通過(guò)虛擬機(jī)參數(shù) -XX:+MaxTenuringThreshold進(jìn)行設(shè)置。

那么該對(duì)象將被放到老年代。另外，如果單個(gè) Survivor 區(qū)已經(jīng)被占用了 50%，

可以通過(guò)虛擬機(jī)參數(shù) -XX:TargetSurvivorRatio進(jìn)行設(shè)置

那么較高復(fù)制次數(shù)的對(duì)象也會(huì)被晉升至老年代。

而以上的過(guò)程，可以用一個(gè)圖，輕松的描述清楚：

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