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一、 技術(shù)背景你要了解吧

按照套路是要先裝裝X，談?wù)凧VM垃圾回收的前世今生的。說起垃圾回收（GC），大部分人都把這項技術(shù)當(dāng)做Java語言的伴生產(chǎn)物。事實上，GC的歷史比Java久遠(yuǎn)，早在1960年Lisp這門語言中就使用了內(nèi)存動態(tài)分配和垃圾回收技術(shù)。設(shè)計和優(yōu)化C++這門語言的專家們要長點心啦~~

二、 哪些內(nèi)存需要回收

猿們都知道JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)包括五大區(qū)域：程序計數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧、堆區(qū)、方法區(qū)。其中程序計數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧3個區(qū)域隨線程而生、隨線程而滅，因此這幾個區(qū)域的內(nèi)存分配和回收都具備確定性，就不需要過多考慮回收的問題，因為方法結(jié)束或者線程結(jié)束時，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、不一樣!(怎么不一樣說的朗朗上口)，這部分內(nèi)存的分配和回收是動態(tài)的，正是垃圾收集器所需關(guān)注的部分。

垃圾收集器在對堆區(qū)和方法區(qū)進(jìn)行回收前，首先要確定這些區(qū)域的對象哪些可以被回收，哪些暫時還不能回收，這就要用到判斷對象是否存活的算法！（面試官肯定沒少問你吧）

####2.1 引用計數(shù)算法

2.1.1 算法分析

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

2.1.2 優(yōu)缺點

優(yōu)點：引用計數(shù)收集器可以很快的執(zhí)行，交織在程序運(yùn)行中。對程序需要不被長時間打斷的實時環(huán)境比較有利。
缺點：無法檢測出循環(huán)引用。如父對象有一個對子對象的引用，子對象反過來引用父對象。這樣，他們的引用計數(shù)永遠(yuǎn)不可能為0。

2.1.3 是不是很無趣，來段代碼壓壓驚

這段代碼是用來驗證引用計數(shù)算法不能檢測出循環(huán)引用。最后面兩句將object1和object2賦值為null，也就是說object1和object2指向的對象已經(jīng)不可能再被訪問，但是由于它們互相引用對方，導(dǎo)致它們的引用計數(shù)器都不為0，那么垃圾收集器就永遠(yuǎn)不會回收它們。

2.2 可達(dá)性分析算法

可達(dá)性分析算法是從離散數(shù)學(xué)中的圖論引入的，程序把所有的引用關(guān)系看作一張圖，從一個節(jié)點GC ROOT開始，尋找對應(yīng)的引用節(jié)點，找到這個節(jié)點以后，繼續(xù)尋找這個節(jié)點的引用節(jié)點，當(dāng)所有的引用節(jié)點尋找完畢之后，剩余的節(jié)點則被認(rèn)為是沒有被引用到的節(jié)點，即無用的節(jié)點，無用的節(jié)點將會被判定為是可回收的對象。

在Java語言中，可作為GC Roots的對象包括下面幾種：

a) 虛擬機(jī)棧中引用的對象（棧幀中的本地變量表）；
b) 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象；
c) 方法區(qū)中常量引用的對象；
d) 本地方法棧中JNI（Native方法）引用的對象。

####2.3 Java中的引用你了解多少

無論是通過引用計數(shù)算法判斷對象的引用數(shù)量，還是通過可達(dá)性分析算法判斷對象的引用鏈?zhǔn)欠窨蛇_(dá)，判定對象是否存活都與“引用”有關(guān)。在Java語言中，將引用又分為強(qiáng)引用、軟引用、弱引用、虛引用4種，這四種引用強(qiáng)度依次逐漸減弱。

強(qiáng)引用

在程序代碼中普遍存在的，類似 Object obj = new Object() 這類引用，只要強(qiáng)引用還存在，垃圾收集器永遠(yuǎn)不會回收掉被引用的對象。

軟引用

用來描述一些還有用但并非必須的對象。對于軟引用關(guān)聯(lián)著的對象，在系統(tǒng)將要發(fā)生內(nèi)存溢出異常之前，將會把這些對象列進(jìn)回收范圍之中進(jìn)行第二次回收。如果這次回收后還沒有足夠的內(nèi)存，才會拋出內(nèi)存溢出異常。

弱引用

也是用來描述非必需對象的，但是它的強(qiáng)度比軟引用更弱一些，被弱引用關(guān)聯(lián)的對象只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生之前。當(dāng)垃圾收集器工作時，無論當(dāng)前內(nèi)存是否足夠，都會回收掉只被弱引用關(guān)聯(lián)的對象。

虛引用

也叫幽靈引用或幻影引用（名字真會取，很魔幻的樣子），是最弱的一種引用關(guān)系。

一個對象是否有虛引用的存在，完全不會對其生存時間構(gòu)成影響，也無法通過虛引用來取得一個對象實例。它的作用是能在這個對象被收集器回收時收到一個系統(tǒng)通知。

不要被概念嚇到，也別擔(dān)心，還沒跑題，再深入，可就不好說了。小編羅列這四個概念的目的是為了說明，無論引用計數(shù)算法還是可達(dá)性分析算法都是基于強(qiáng)引用而言的。

2.4 對象死亡（被回收）前的最后一次掙扎

即使在可達(dá)性分析算法中不可達(dá)的對象，也并非是“非死不可”，這時候它們暫時處于“緩刑”階段，要真正宣告一個對象死亡，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過程。

第一次標(biāo)記：如果對象在進(jìn)行可達(dá)性分析后發(fā)現(xiàn)沒有與GC Roots相連接的引用鏈，那它將會被第一次標(biāo)記；

第二次標(biāo)記：第一次標(biāo)記后接著會進(jìn)行一次篩選，篩選的條件是此對象是否有必要執(zhí)行finalize()方法。在finalize()方法中沒有重新與引用鏈建立關(guān)聯(lián)關(guān)系的，將被進(jìn)行第二次標(biāo)記。

第二次標(biāo)記成功的對象將真的會被回收，如果對象在finalize()方法中重新與引用鏈建立了關(guān)聯(lián)關(guān)系，那么將會逃離本次回收，繼續(xù)存活。猿們還跟的上吧，嘿嘿。

####2.5 方法區(qū)如何判斷是否需要回收

猿們，方法區(qū)存儲內(nèi)容是否需要回收的判斷可就不一樣咯。方法區(qū)主要回收的內(nèi)容有：廢棄常量和無用的類。對于廢棄常量也可通過引用的可達(dá)性來判斷，但是對于無用的類則需要同時滿足下面3個條件：

該類所有的實例都已經(jīng)被回收，也就是Java堆中不存在該類的任何實例；
載該類的ClassLoader已經(jīng)被回收；
該類對應(yīng)的java.lang.Class對象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法。

關(guān)于類加載的原理，也是阿里面試的主角，面試官也問過我比如：能否自己定義String，答案是不行，因為jvm在加載類的時候會執(zhí)行雙親委派

三、常用的垃圾收集算法

標(biāo)記-清除算法采用從根集合（GC Roots）進(jìn)行掃描，對存活的對象進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記完畢后，再掃描整個空間中未被標(biāo)記的對象，進(jìn)行回收，如下圖所示。標(biāo)記-清除算法不需要進(jìn)行對象的移動，只需對不存活的對象進(jìn)行處理，在存活對象比較多的情況下極為高效，但由于標(biāo)記-清除算法直接回收不存活的對象，因此會造成內(nèi)存碎片。

####3.2 復(fù)制算法(Copying)

復(fù)制算法的提出是為了克服句柄的開銷和解決內(nèi)存碎片的問題。它開始時把堆分成 一個對象 面和多個空閑面， 程序從對象面為對象分配空間，當(dāng)對象滿了，基于copying算法的垃圾 收集就從根集合（GC Roots）中掃描活動對象，并將每個 活動對象復(fù)制到空閑面(使得活動對象所占的內(nèi)存之間沒有空閑洞)，這樣空閑面變成了對象面，原來的對象面變成了空閑面，程序會在新的對象面中分配內(nèi)存。

####3.3 標(biāo)記-整理算法(Mark-compact)

標(biāo)記-整理算法采用標(biāo)記-清除算法一樣的方式進(jìn)行對象的標(biāo)記，但在清除時不同，在回收不存活的對象占用的空間后，會將所有的存活對象往左端空閑空間移動，并更新對應(yīng)的指針。標(biāo)記-整理算法是在標(biāo)記-清除算法的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了對象的移動，因此成本更高，但是卻解決了內(nèi)存碎片的問題。具體流程見下圖：

####3.4 分代收集算法

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根據(jù)對象存活的生命周期將內(nèi)存劃分為若干個不同的區(qū)域。一般情況下將堆區(qū)劃分為老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），在堆區(qū)之外還有一個代就是永久代（Permanet Generation）。老年代的特點是每次垃圾收集時只有少量對象需要被回收，而新生代的特點是每次垃圾回收時都有大量的對象需要被回收，那么就可以根據(jù)不同代的特點采取最適合的收集算法。

3.4.1 年輕代（Young Generation）的回收算法 (回收主要以Copying為主)

• a) 所有新生成的對象首先都是放在年輕代的。年輕代的目標(biāo)就是盡可能快速的收集掉那些生命周期短的對象。
• b) 新生代內(nèi)存按照8:1:1的比例分為一個eden區(qū)和兩個survivor(survivor0,survivor1)區(qū)。一個Eden區(qū)，兩個 Survivor區(qū)(一般而言)。大部分對象在Eden區(qū)中生成?；厥諘r先將eden區(qū)存活對象復(fù)制到一個survivor0區(qū)，然后清空eden區(qū)，當(dāng)這個survivor0區(qū)也存放滿了時，則將eden區(qū)和survivor0區(qū)存活對象復(fù)制到另一個survivor1區(qū)，然后清空eden和這個survivor0區(qū)，此時survivor0區(qū)是空的，然后將survivor0區(qū)和survivor1區(qū)交換，即保持survivor1區(qū)為空， 如此往復(fù)。
• c) 當(dāng)survivor1區(qū)不足以存放 eden和survivor0的存活對象時，就將存活對象直接存放到老年代。若是老年代也滿了就會觸發(fā)一次Full GC(Major GC)，也就是新生代、老年代都進(jìn)行回收。
• d) 新生代發(fā)生的GC也叫做Minor GC，MinorGC發(fā)生頻率比較高(不一定等Eden區(qū)滿了才觸發(fā))。

3.4.2 年老代（Old Generation）的回收算法（回收主要以Mark-Compact為主）

a) 在年輕代中經(jīng)歷了N次垃圾回收后仍然存活的對象，就會被放到年老代中。因此，可以認(rèn)為年老代中存放的都是一些生命周期較長的對象。
b) 內(nèi)存比新生代也大很多(大概比例是1:2)，當(dāng)老年代內(nèi)存滿時觸發(fā)Major GC即Full GC，F(xiàn)ull GC發(fā)生頻率比較低，老年代對象存活時間比較長，存活率標(biāo)記高。

3.4.3 持久代（Permanent Generation）的回收算法

用于存放靜態(tài)文件，如Java類、方法等。持久代對垃圾回收沒有顯著影響，但是有些應(yīng)用可能動態(tài)生成或者調(diào)用一些class，例如Hibernate 等，在這種時候需要設(shè)置一個比較大的持久代空間來存放這些運(yùn)行過程中新增的類。持久代也稱方法區(qū)，具體的回收可參見上文2.5節(jié)。

四、常見的垃圾收集器

下面一張圖是HotSpot虛擬機(jī)包含的所有收集器，圖是借用過來滴：

Serial收集器（復(fù)制算法)
新生代單線程收集器，標(biāo)記和清理都是單線程，優(yōu)點是簡單高效。是client級別默認(rèn)的GC方式，可以通過-XX:+UseSerialGC來強(qiáng)制指定。

Serial Old收集器(標(biāo)記-整理算法)
老年代單線程收集器，Serial收集器的老年代版本。

ParNew收集器(停止-復(fù)制算法)　
新生代收集器，可以認(rèn)為是Serial收集器的多線程版本,在多核CPU環(huán)境下有著比Serial更好的表現(xiàn)。

Parallel Scavenge收集器(停止-復(fù)制算法)
并行收集器，追求高吞吐量，高效利用CPU。吞吐量一般為99%， 吞吐量= 用戶線程時間/(用戶線程時間+GC線程時間)。適合后臺應(yīng)用等對交互相應(yīng)要求不高的場景。是server級別默認(rèn)采用的GC方式，可用-XX:+UseParallelGC來強(qiáng)制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4來指定線程數(shù)。

Parallel Old收集器(停止-復(fù)制算法)
Parallel Scavenge收集器的老年代版本，并行收集器，吞吐量優(yōu)先。

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（標(biāo)記-清理算法）
高并發(fā)、低停頓，追求最短GC回收停頓時間，cpu占用比較高，響應(yīng)時間快，停頓時間短，多核cpu 追求高響應(yīng)時間的選擇。

五、GC是什么時候觸發(fā)的（面試最常見的問題之一）

由于對象進(jìn)行了分代處理，因此垃圾回收區(qū)域、時間也不一樣。GC有兩種類型：Scavenge GC和Full GC。

####5.1 Scavenge GC

一般情況下，當(dāng)新對象生成，并且在Eden申請空間失敗時，就會觸發(fā)Scavenge GC，對Eden區(qū)域進(jìn)行GC，清除非存活對象，并且把尚且存活的對象移動到Survivor區(qū)。然后整理Survivor的兩個區(qū)。這種方式的GC是對年輕代的Eden區(qū)進(jìn)行，不會影響到年老代。因為大部分對象都是從Eden區(qū)開始的，同時Eden區(qū)不會分配的很大，所以Eden區(qū)的GC會頻繁進(jìn)行。因而，一般在這里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能盡快空閑出來。

####5.2 Full GC

對整個堆進(jìn)行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因為需要對整個堆進(jìn)行回收，所以比Scavenge GC要慢，因此應(yīng)該盡可能減少Full GC的次數(shù)。在對JVM調(diào)優(yōu)的過程中，很大一部分工作就是對于Full GC的調(diào)節(jié)。有如下原因可能導(dǎo)致Full GC：

a) 年老代（Tenured）被寫滿；
b) 持久代（Perm）被寫滿；
c) System.gc()被顯示調(diào)用；
d) 上一次GC之后Heap的各域分配策略動態(tài)變化；

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標(biāo)題名稱：扒一扒JVM的垃圾回收機(jī)制，下次面試你準(zhǔn)備好了嗎-創(chuàng)新互聯(lián)
本文網(wǎng)址：http://chinadenli.net/article48/epjhp.html

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