Java有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。

概述

垃圾收集（Garbage Collection，GC），大部分人都把这项技术当做Java语言的伴生产物。事实上，GC的历史比Java久远，1960年诞生于MIT的Lisp是第一门真正使用内存动态分配和垃圾收集技术的语言。当Lisp还在胚胎时期时，人们就在思考GC需要完成的3件事情：

  • 哪些内存需要回收（简而言之，什么是垃圾（Garbage））？
  • 什么时候回收？
  • 如何回收？

经过半个多世纪的发展，目前内存的动态分配与内存回收技术已经相当成熟，一切看起来都进入了“自动化”时代，那为什么我们还要去了解GC和内存分配呢？答案很简单：当需要排查各种内存溢出、内存泄漏问题时，当垃圾收集成为系统达到更高并发量的瓶颈时，我们就需要对这些“自动化”的技术实施必要的监控和调节。

需要回收的内存（Garbage）

在堆里面存放着Java程序中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，第一件事情就是要确定这些对象之中哪些还“存活”着，哪些已经“死去”（即不可能再被任何途径使用的对象）， 这个对象就是需要被回收的垃圾

垃圾回收标记算法

引用计数算法

给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，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。

客观来说，引用计数算法（Reference Counting）的实现简单，判定效率高，垃圾对象也易于识别。但由于需要单独的字段存储计数器，那么会增加存储空间的开销；其次每次赋值都需要更新计数器，伴随着加法和减法操作，这增加了时间开销

在大部分情况下这都是一个不错的算法，如使用ActionScript 3的FlashPlayer、Python语言都使用了引用计数算法进行内存管理。但是Java虚拟机并未选择此算法用来管理内存，主要原因是因为此算法很难解决对象之间相互循环引用的问题。举个简单的例子：

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public void testGC() {
    ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
    ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
    objA.instance = objB;
    objB.instance = objA;
    objA = null;
    objB = null;
    System.gc();
}

在testGC的方法中，对象objA和objB都有字段instance，在赋值操作后，这两个操作对象没有任何引用，即两个对象已经不可能再被访问，但是它们因为互相引用着对方，导致它们的引用计数都不为0，于是引用计数算法无法通知GC收集器回收它们。

可达性分析算法

可达性分析算法基本思路就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，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:

  • 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，比如：字符串常量池里的引用
  • 所有被同步锁synchronized持有的对象
  • Java虚拟机内部的引用。基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象，系统类加载器

垃圾回收清除算法

标记-清除算法

  • 标记：从GC Roots开始遍历，标记所有被引用的对象。一般是在对象头中记录是否是可达对象
  • 清除：对堆内存从头到尾遍历，如果发现某个对象的对象头中没有标记为可达对象，则将其回收

标记-清除算法

优点：

  • 不需要进行对象的移动，并且仅对不存活的对象进行处理，在存活对象比较多的情况下极为高效

缺点：

  • 标记和清除过程的效率都不算高
  • 这种方法需要使用一个空闲列表（空闲列表记录哪些内存是没有被占用状态，空闲的）来记录所有的空闲区域以及大小，对空闲列表的管理会增加分配对象时的工作量
  • 标记清除后会产生大量不连续的内存碎片

标记-整理算法

  • 标记：和标记清除算法一样，从GC Roots开始标记所有被引用的对象
  • 整理：将所有的存活对象压缩到内存的一端，按顺序排放。之后清理外边界的空间

标记-整理算法

优点：

  • 消除了标记-清除算法中，内存区域分散的缺点（内存碎片）

缺点：

  • 移动对象的同时，如果对象被其他对象引用，还需要调整引用的地址
  • 移动过程中，需要全程暂停用户应用程序。

复制算法

核心思想：将内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时将正在使用内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的对象，交换两个内存的角色，最后完成垃圾回收

复制算法

优点：

  • 没有标记和清除的过程，实现简单，运行高效
  • 复制过去以后保证空间的连续性，不会出现内存碎片问题

缺点：

  • 需要两倍的内存空间，比较浪费
  • 如果存活对象较多，那么复制操作就比较多，效率相对会降低

拓展：

1、浅谈引用

无论是通过引用计数算法判断对象的引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象的引用链是否可达，判定对象是否存活都与“引用”有关

在JDK 1.2以前，Java中对引用的定义很传统：如果reference类型的数据中存储的数值代表的是另外一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用。这种定义很纯粹，但是太过狭隘，一个对象在这种定义下只有被引用或者没有被引用两种状态，对于如何描述一些“食之无味，弃之可惜”的对象就显得无能为力。

在JDK 1.2之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用（Strong Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用（Phantom Reference）4种，这4种引用强度依次逐渐减弱。

  1. 强引用就是指在程序代码之中普遍存在的，类似“Object obj = new Object()”这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。
  2. 软引用是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。
  3. 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收集发生之前。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象
  4. 虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用，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

2、生存还是死亡

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。

如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法，那么这个对象将会放置在一个叫做F-Queue的队列之中，并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行它。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法，但并不承诺会等待它运行结束，这样做的原因是，如果一个对象在finalize()方法中执行缓慢，或者发生了死循环（更极端的情况），将很可能会导致F-Queue队列中其他对象永久处于等待，甚至导致整个内存回收系统崩溃。

finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象要在finalize()中成功拯救自己——只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，譬如把自己（this关键字）赋值给某个类变量或者对象的成员变量，那在第二次标记时它将被移除出“即将回收”的集合；如果对象这时候还没有逃脱，那基本上它就真的被回收了。示例代码：

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public class FinalizeEscapeGC {
    public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;

    public void isAlive() {
        System.out.println("yes, i am still alive :)");
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("finalize mehtod executed!");
        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;
    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();
        //对象第一次成功拯救自己
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        //因为finalize方法优先级很低，所以暂停0.5秒以等待它
        Thread.sleep(500);
        if (SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no, i am dead :(");
        }
        //下面这段代码与上面的完全相同，但是这次自救却失败了
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        //因为finalize方法优先级很低，所以暂停0.5秒以等待它
        Thread.sleep(500);
        if (SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no, i am dead :(");
        }
    }
}

运行结果：

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finalize mehtod executed!
yes, i am still alive :)
no, i am dead :(

从运行结果可以看出，SAVE_HOOK对象的finalize()方法确实被GC收集器触发过，并且在被收集前成功逃脱了。

另外一个值得注意的地方是，代码中有两段完全一样的代码片段，执行结果却是一次逃脱成功，一次失败，这是因为任何一个对象的finalize()方法都只会被系统自动调用一次，如果对象面临下一次回收，它的finalize()方法不会被再次执行(即在此代码中不能重新与引用链上的任何一个对象建立关联)，因此第二段代码的自救行动失败了。