jvm的垃圾回收機(jī)制是GC（Garbage Collection），也叫垃圾收集器。GC基本原理：將內(nèi)存中不再被使用的對(duì)象進(jìn)行回收；GC中用于回收的方法稱(chēng)為收集器，由于GC需要消耗一些資源和時(shí)間，Java在對(duì)對(duì)象的生命周期特征進(jìn)行分析后，按照新生代、老年代的方式來(lái)對(duì)對(duì)象進(jìn)行收集，以盡可能的縮短GC對(duì)應(yīng)用造成的暫停。

本教程操作環(huán)境：windows7系統(tǒng)、java8版、DELL G3電腦。

什么是垃圾回收

java相較于c、c++語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)之一是自帶垃圾回收器，垃圾回收是指不定時(shí)去堆內(nèi)存中清理不可達(dá)對(duì)象。不可達(dá)的對(duì)象并不會(huì)馬上就會(huì)直接回收， 垃圾收集器在一個(gè)Java程序中的執(zhí)行是自動(dòng)的，不能強(qiáng)制執(zhí)行，程序員唯一能做的就是通過(guò)調(diào)用System.gc 方法來(lái)建議執(zhí)行垃圾收集器，但其是否可以執(zhí)行，什么時(shí)候執(zhí)行卻都是不可知的。這也是垃圾收集器的最主要的缺點(diǎn)。當(dāng)然相對(duì)于它給程序員帶來(lái)的巨大方便性而言，這個(gè)缺點(diǎn)是瑕不掩瑜的。

為什么需要垃圾回收

如果不進(jìn)行垃圾回收，內(nèi)存遲早都會(huì)被消耗空，因?yàn)槲覀冊(cè)诓粩嗟姆峙鋬?nèi)存空間而不進(jìn)行回收。除非內(nèi)存無(wú)限大，我們可以任性的分配而不回收，但是事實(shí)并非如此。所以，垃圾回收是必須的。

jvm垃圾回收原理

在JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)存在一個(gè)堆區(qū)， 堆是一個(gè)巨大的對(duì)象池。在這個(gè)對(duì)象池中管理著數(shù)量巨大的對(duì)象實(shí)例，而池中對(duì)象的引用層次，有的是很深的。一個(gè)被頻繁調(diào)用的接口，每秒生成對(duì)象的速度，是很大的，同時(shí)，對(duì)象之間的關(guān)系，形成了一張巨大的網(wǎng)。

Java 一直在營(yíng)造一種無(wú)限內(nèi)存的氛圍，但對(duì)象不能只增不減，所以需要垃圾回收；那 JVM 是如何判斷哪些對(duì)象應(yīng)該被回收？哪些應(yīng)該被保持呢？這就要用到JVM的垃圾回收機(jī)制了，也就是我們常說(shuō)的GC（Garbage Collection），也叫垃圾收集器。

GC (Garbage Collection:即垃圾回收)的基本原理：將內(nèi)存中不再被使用的對(duì)象進(jìn)行回收，GC中用于回收的方法稱(chēng)為收集器，由于GC需要消耗一些資源和時(shí)間，Java在對(duì)對(duì)象的生命周期特征進(jìn)行分析后，按照新生代、老年代的方式來(lái)對(duì)對(duì)象進(jìn)行收集，以盡可能的縮短GC對(duì)應(yīng)用造成的暫停

● 對(duì)新生代的對(duì)象的收集稱(chēng)為minor GC
● 對(duì)老年代的對(duì)象的收集稱(chēng)為Full GC
● 程序中主動(dòng)調(diào)用System.gc()強(qiáng)制執(zhí)行的GC為Full GC

不同的對(duì)象引用類(lèi)型， GC會(huì)采用不同的方法進(jìn)行回收，JVM對(duì)象的引用分為了四種類(lèi)型：
● 強(qiáng)引用：默認(rèn)情況下，對(duì)象采用的均為強(qiáng)引用（這個(gè)對(duì)象的實(shí)例沒(méi)有其他對(duì)象引用，GC時(shí)才會(huì)被回收）
● 軟引用：軟引用是Java中提供的一種比較適合于緩存場(chǎng)景的應(yīng)用（只有在內(nèi)存不夠用的情況下才會(huì)被GC）
● 弱引用：在GC時(shí)一定會(huì)被GC回收
● 虛引用：由于虛引用只是用來(lái)得知對(duì)象是否被GC

對(duì)象被標(biāo)記為垃圾方法

JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)包括五大區(qū)域：程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧、堆區(qū)、方法區(qū)。其中程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧3個(gè)區(qū)域隨線(xiàn)程而生、隨線(xiàn)程而滅，因此這幾個(gè)區(qū)域的內(nèi)存分配和回收都具備確定性，就不需要過(guò)多考慮回收的問(wèn)題，因?yàn)榉椒ńY(jié)束或者線(xiàn)程結(jié)束時(shí)，內(nèi)存自然就跟隨著回收了。而Java堆區(qū)和方法區(qū)則不一樣，這部分內(nèi)存的分配和回收是動(dòng)態(tài)的，正是垃圾收集器所需關(guān)注的部分。

1. 引用計(jì)數(shù)器

引用計(jì)數(shù)是垃圾收集器中的早期策略。在這種方法中，堆中每個(gè)對(duì)象實(shí)例都有一個(gè)引用計(jì)數(shù)。當(dāng)一個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)，就將該對(duì)象實(shí)例分配給一個(gè)變量，該變量計(jì)數(shù)設(shè)置為1。當(dāng)任何其它變量被賦值為這個(gè)對(duì)象的引用時(shí)，計(jì)數(shù)加1（a = b,則b引用的對(duì)象實(shí)例的計(jì)數(shù)器+1），但當(dāng)一個(gè)對(duì)象實(shí)例的某個(gè)引用超過(guò)了生命周期或者被設(shè)置為一個(gè)新值時(shí)，對(duì)象實(shí)例的引用計(jì)數(shù)器減1。任何引用計(jì)數(shù)器為0的對(duì)象實(shí)例可以被當(dāng)作垃圾收集。當(dāng)一個(gè)對(duì)象實(shí)例被垃圾收集時(shí)，它引用的任何對(duì)象實(shí)例的引用計(jì)數(shù)器減1。

優(yōu)點(diǎn)： 引用計(jì)數(shù)收集器可以很快的執(zhí)行，交織在程序運(yùn)行中。對(duì)程序需要不被長(zhǎng)時(shí)間打斷的實(shí)時(shí)環(huán)境比較有利。
缺點(diǎn)： 無(wú)法檢測(cè)出循環(huán)引用。如父對(duì)象有一個(gè)對(duì)子對(duì)象的引用，子對(duì)象反過(guò)來(lái)引用父對(duì)象。這樣，他們的引用計(jì)數(shù)永遠(yuǎn)不可能為0。

對(duì)以上代碼通過(guò)引用計(jì)數(shù)法分析：

2. 可達(dá)性分析

可達(dá)性算法是目前主流的虛擬機(jī)都采用的算法，程序把所有的引用關(guān)系看作一張圖，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)GC Roots開(kāi)始，尋找對(duì)應(yīng)的引用節(jié)點(diǎn)，找到這個(gè)節(jié)點(diǎn)以后，繼續(xù)尋找這個(gè)節(jié)點(diǎn)的引用節(jié)點(diǎn)，當(dāng)所有的引用節(jié)點(diǎn)尋找完畢之后，剩余的節(jié)點(diǎn)則被認(rèn)為是沒(méi)有被引用到的節(jié)點(diǎn)，即無(wú)用的節(jié)點(diǎn)，無(wú)用的節(jié)點(diǎn)將會(huì)被判定為是可回收的對(duì)象。

在Java語(yǔ)言中，可作為GC Roots的對(duì)象包括下面幾種：
● 虛擬機(jī)棧中引用的對(duì)象（棧幀中的本地變量表）；
● 方法區(qū)中類(lèi)靜態(tài)屬性引用的對(duì)象；
● 方法區(qū)中常量引用的對(duì)象；
● 本地方法棧中JNI（Native方法）引用的對(duì)象。

可以得出對(duì)象實(shí)例1、2、4、6都具有對(duì)象可達(dá)性，也就是存活對(duì)象，不能被GC回收的對(duì)象。而隨想實(shí)例3、5雖然直接相連，但并沒(méi)有任何一個(gè)GC Roots與之相連，即GC Roots不可達(dá)對(duì)象，就會(huì)被GC回收的對(duì)象。

三、垃圾回收算法

1. 標(biāo)記-清除算法

標(biāo)記/清除算法的基本思想就跟它的名字一樣，分為“標(biāo)記”和“清除”兩個(gè)階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對(duì)象。
標(biāo)記階段：
標(biāo)記的過(guò)程其實(shí)就是前面介紹的可達(dá)性分析算法的過(guò)程，遍歷所有的 GC Roots 對(duì)象，對(duì)從 GCRoots 對(duì)象可達(dá)的對(duì)象都打上一個(gè)標(biāo)識(shí)，一般是在對(duì)象的 header 中，將其記錄為可達(dá)對(duì)象。
清除階段：
清除的過(guò)程是對(duì)堆內(nèi)存進(jìn)行遍歷，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)對(duì)象沒(méi)有被標(biāo)記為可達(dá)對(duì)象（通過(guò)讀取對(duì)象header 信息），則將其回收。

上圖是標(biāo)記/清除算法的示意圖，在標(biāo)記階段，從對(duì)象 GC Root 1 可以訪(fǎng)問(wèn)到 B 對(duì)象，從 B 對(duì)象又可以訪(fǎng)問(wèn)到 E 對(duì)象，因此從 GC Root 1 到 B、E 都是可達(dá)的，同理，對(duì)象 F、G、J、K 都是可達(dá)對(duì)象；到了清除階段，所有不可達(dá)對(duì)象都會(huì)被回收。
在垃圾收集器進(jìn)行 GC 時(shí)，必須停止所有 Java 執(zhí)行線(xiàn)程（也稱(chēng)"Stop The World"），原因是在標(biāo)記階段進(jìn)行可達(dá)性分析時(shí)，不可以出現(xiàn)分析過(guò)程中對(duì)象引用關(guān)系還在不斷變化的情況，否則的話(huà)可達(dá)性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性就無(wú)法得到保證。在等待標(biāo)記清除結(jié)束后，應(yīng)用線(xiàn)程才會(huì)恢復(fù)運(yùn)行。

標(biāo)記/清除算法缺點(diǎn)：
● 效率問(wèn)題
標(biāo)記和清除兩個(gè)階段的效率都不高，因?yàn)檫@兩個(gè)階段都需要遍歷內(nèi)存中的對(duì)象，很多時(shí)候內(nèi)存中的對(duì)象實(shí)例數(shù)量是非常龐大的，這無(wú)疑很耗費(fèi)時(shí)間，而且 GC 時(shí)需要停止應(yīng)用程序，這會(huì)導(dǎo)致非常差的用戶(hù)體驗(yàn)。
● 空間問(wèn)題
標(biāo)記清除之后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片（從上圖可以看出），內(nèi)存空間碎片太多可能會(huì)導(dǎo)致以后在程序運(yùn)行過(guò)程中需要分配較大對(duì)象時(shí)，無(wú)法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾回收動(dòng)作。

2. 復(fù)制算法

復(fù)制算法是將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次使用其中的一塊。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活的對(duì)象復(fù)制到另一塊內(nèi)存上，然后把這一塊內(nèi)存所有的對(duì)象一次性清理掉

復(fù)制算法每次都是對(duì)整個(gè)半?yún)^(qū)進(jìn)行內(nèi)存回收，這樣就減少了標(biāo)記對(duì)象遍歷的時(shí)間，在清除使用區(qū)域?qū)ο髸r(shí)，不用進(jìn)行遍歷，直接清空整個(gè)區(qū)域內(nèi)存，而且在將存活對(duì)象復(fù)制到保留區(qū)域時(shí)也是按地址順序存儲(chǔ)的，這樣就解決了內(nèi)存碎片的問(wèn)題，在分配對(duì)象內(nèi)存時(shí)不用考慮內(nèi)存碎片等復(fù)雜問(wèn)題，只需要按順序分配內(nèi)存即可。

復(fù)制算法缺點(diǎn)：
復(fù)制算法簡(jiǎn)單高效，優(yōu)化了標(biāo)記清除算法的效率低、內(nèi)存碎片多問(wèn)題，存在缺點(diǎn)：
● 將內(nèi)存縮小為原來(lái)的一半，浪費(fèi)了一半的內(nèi)存空間，代價(jià)太高；
● 如果對(duì)象的存活率很高，極端一點(diǎn)的情況假設(shè)對(duì)象存活率為 100%，那么我們需要將所有存活的對(duì)象復(fù)制一遍，耗費(fèi)的時(shí)間代價(jià)也是不可忽視的。

3. 標(biāo)記-整理算法

標(biāo)記-整理算法算法與標(biāo)記/清除算法很像，事實(shí)上，標(biāo)記/整理算法的標(biāo)記過(guò)程任然與標(biāo)記/清除算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對(duì)可回收對(duì)象進(jìn)行回收，而是讓所有存活的對(duì)象都向一端移動(dòng)，然后直接清理掉端邊線(xiàn)以外的內(nèi)存。

可以看到，回收后可回收對(duì)象被清理掉了，存活的對(duì)象按規(guī)則排列存放在內(nèi)存中。這樣一來(lái)，當(dāng)我們給新對(duì)象分配內(nèi)存時(shí)，jvm 只需要持有內(nèi)存的起始地址即可。標(biāo)記/整理算法彌補(bǔ)了標(biāo)記/清除算法存在內(nèi)存碎片的問(wèn)題消除了復(fù)制算法內(nèi)存減半的高額代價(jià)，可謂一舉兩得。

標(biāo)記/整理缺點(diǎn)：
● 效率不高：不僅要標(biāo)記存活對(duì)象，還要整理所有存活對(duì)象的引用地址，在效率上不如復(fù)制算法。

4. 分代回收算法

分代收集算法的思想是按對(duì)象的存活周期不同將內(nèi)存劃分為幾塊一般是把 Java 堆分為新生代和老年代（還有一個(gè)永久代，是 HotSpot 特有的實(shí)現(xiàn)，其他的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)沒(méi)有這一概念，永久代的收集效果很差，一般很少對(duì)永久代進(jìn)行垃圾回收），這樣就可以根據(jù)各個(gè)年代的特點(diǎn)采用最合適的收集算法。

特點(diǎn)：
新生代：朝生夕滅，存活時(shí)間很短。采用復(fù)制算法來(lái)收集
老年代：經(jīng)過(guò)多次 Minor GC 而存活下來(lái)，存活周期長(zhǎng)。采用標(biāo)記/清除算法或者標(biāo)記/整理算法收集老年代

新生代中每次垃圾回收都發(fā)現(xiàn)有大量的對(duì)象死去，只有少量存活，因此采用復(fù)制算法回收新生代，只需要付出少量對(duì)象的復(fù)制成本就可以完成收集；
老年代中對(duì)象的存活率高，不適合采用復(fù)制算法，而且如果老年代采用復(fù)制算法，它是沒(méi)有額外的空間進(jìn)行分配擔(dān)保的，因此必須使用標(biāo)記/清理算法或者標(biāo)記/整理算法來(lái)進(jìn)行回收。

新生代中的對(duì)象“朝生夕死”，每次GC時(shí)都會(huì)有大量對(duì)象死去，少量存活，使用復(fù)制算法。新生代又分為Eden區(qū)和Survivor區(qū)（Survivor from、Survivor to），大小比例默認(rèn)為8:1:1。
老年代中的對(duì)象因?yàn)閷?duì)象存活率高、沒(méi)有額外空間進(jìn)行分配擔(dān)保，就使用標(biāo)記-清除或標(biāo)記-整理算法。
新產(chǎn)生的對(duì)象優(yōu)先進(jìn)去Eden區(qū)，當(dāng)Eden區(qū)滿(mǎn)了之后再使用Survivor from，當(dāng)Survivor from 也滿(mǎn)了之后就進(jìn)行Minor GC（新生代GC），將Eden和Survivor from中存活的對(duì)象copy進(jìn)入Survivor to，然后清空Eden和Survivor from，這個(gè)時(shí)候原來(lái)的Survivor from成了新的Survivor to，原來(lái)的Survivor to成了新的Survivor from。復(fù)制的時(shí)候，如果Survivor to 無(wú)法容納全部存活的對(duì)象，則根據(jù)老年代的分配擔(dān)保（類(lèi)似于銀行的貸款擔(dān)保）將對(duì)象copy進(jìn)去老年代，如果老年代也無(wú)法容納，則進(jìn)行Full GC（老年代GC）。
大對(duì)象直接進(jìn)入老年代：JVM中有個(gè)參數(shù)配置
-XX:PretenureSizeThreshold，令大于這個(gè)設(shè)置值的對(duì)象直接進(jìn)入老年代，目的是為了避免在Eden和Survivor區(qū)之間發(fā)生大量的內(nèi)存復(fù)制。
長(zhǎng)期存活的對(duì)象進(jìn)入老年代：JVM給每個(gè)對(duì)象定義一個(gè)對(duì)象年齡計(jì)數(shù)器，如果對(duì)象在Eden出生并經(jīng)過(guò)第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容納，將被移入Survivor并且年齡設(shè)定為1。沒(méi)熬過(guò)一次Minor GC，年齡就加1，當(dāng)他的年齡到一定程度（默認(rèn)為15歲，可以通過(guò)XX:MaxTenuringThreshold來(lái)設(shè)定），就會(huì)移入老年代。但是JVM并不是永遠(yuǎn)要求年齡必須達(dá)到最大年齡才會(huì)晉升老年代，如果Survivor 空間中相同年齡（如年齡為x）所有對(duì)象大小的總和大于Survivor的一半，年齡大于等于x的所有對(duì)象直接進(jìn)入老年代，無(wú)需等到最大年齡要求。

分代回收：

我們從一個(gè)object1來(lái)說(shuō)明其在分代垃圾回收算法中的回收軌跡。

1、object1新建，出生于新生代的Eden區(qū)域。

2、minor GC，object1 還存活，移動(dòng)到From suvivor空間，此時(shí)還在新生代。

3、minor GC，object1 仍然存活，此時(shí)會(huì)通過(guò)復(fù)制算法，將object1移動(dòng)到ToSuv區(qū)域，此時(shí)object1的年齡age+1。

4、minor GC，object1 仍然存活，此時(shí)survivor中和object1同齡的對(duì)象并沒(méi)有達(dá)到survivor的一半，所以此時(shí)通過(guò)復(fù)制算法，將fromSuv和Tosuv 區(qū)域進(jìn)行互換，存活的對(duì)象被移動(dòng)到了Tosuv。

5、minor GC，object1 仍然存活，此時(shí)survivor中和object1同齡的對(duì)象已經(jīng)達(dá)到survivor的一半以上（toSuv的區(qū)域已經(jīng)滿(mǎn)了），object1被移動(dòng)到了老年代區(qū)域。

6、object1存活一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)此時(shí)object1不可達(dá)GcRoots，而且此時(shí)老年代空間比率已經(jīng)超過(guò)了閾值,觸發(fā)了majorGC（也可以認(rèn)為是fullGC，但具體需要垃圾收集器來(lái)聯(lián)系），此時(shí)object1被回收了。fullGC會(huì)觸發(fā) stop the world。

在以上的新生代中，我們有提到對(duì)象的age，對(duì)象存活于survivor狀態(tài)下，不會(huì)立即晉升為老年代對(duì)象，以避免給老年代造成過(guò)大的影響，它們必須要滿(mǎn)足以下條件才可以晉升：
1、minor gc 之后，存活于survivor 區(qū)域的對(duì)象的age會(huì)+1，當(dāng)超過(guò)（默認(rèn)）15的時(shí)候，轉(zhuǎn)移到老年代。
2、動(dòng)態(tài)對(duì)象，如果survivor空間中相同年齡所有的對(duì)象大小的綜合和大于survivor空間的一半，年級(jí)大于或等于該年紀(jì)的對(duì)象就可以直接進(jìn)入老年代。