作者：Sunnier
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一、垃圾回收機(jī)制的意義

Java語(yǔ)言中一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是引入了垃圾回收機(jī)制，使c++程序員最頭疼的內(nèi)存管理的問(wèn)題迎刃而解，它使得Java程序員在編寫程序的時(shí)候不再需要考慮內(nèi)存管理。由于有個(gè)垃圾回收機(jī)制，Java中的對(duì)象不再有“作用域”的概念，只有對(duì)象的引用才有“作用域”。垃圾回收可以有效的防止內(nèi)存泄露，有效的使用空閑的內(nèi)存。

ps:內(nèi)存泄露是指該內(nèi)存空間使用完畢之后未回收，在不涉及復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一般情況下，Java 的內(nèi)存泄露表現(xiàn)為一個(gè)內(nèi)存對(duì)象的生命周期超出了程序需要它的時(shí)間長(zhǎng)度，我們有時(shí)也將其稱為“對(duì)象游離”。

二、垃圾回收機(jī)制中的算法

Java語(yǔ)言規(guī)范沒(méi)有明確地說(shuō)明JVM使用哪種垃圾回收算法，但是任何一種垃圾回收算法一般要做2件基本的事情：

（1）發(fā)現(xiàn)無(wú)用信息對(duì)象；
（2）回收被無(wú)用對(duì)象占用的內(nèi)存空間，使該空間可被程序再次使用。　
　
1.引用計(jì)數(shù)法(Reference Counting Collector)

1.1 算法分析

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)，且將該對(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。

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)

• 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.

1.3 引用計(jì)數(shù)算法無(wú)法解決循環(huán)引用問(wèn)題，例如：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyObject object1 = new MyObject();
        MyObject object2 = new MyObject();
         
        object1.object = object2;
        object2.object = object1;
         
        object1 = null;
        object2 = null;
    }
}

最后面兩句將object1和object2賦值為null，也就是說(shuō)object1和object2指向的對(duì)象已經(jīng)不可能再被訪問(wèn)，但是由于它們互相引用對(duì)方，導(dǎo)致它們的引用計(jì)數(shù)器都不為0，那么垃圾收集器就永遠(yuǎn)不會(huì)回收它們。

2.tracing算法(Tracing Collector) 或 標(biāo)記-清除算法(mark and sweep)

2.1根搜索算法

根搜索算法是從離散數(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(gè)節(jié)點(diǎn)GC ROOT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)。

java中可作為GC Root的對(duì)象有：

1. 虛擬機(jī)棧中引用的對(duì)象（本地變量表）；
2. 方法區(qū)中靜態(tài)屬性引用的對(duì)象；
3. 方法區(qū)中常量引用的對(duì)象；
4. 本地方法棧中引用的對(duì)象（Native對(duì)象）。

2.2 tracing算法的示意圖

2.3 標(biāo)記-清除算法分析

標(biāo)記-清除算法采用從根集合進(jìn)行掃描，對(duì)存活的對(duì)象對(duì)象標(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，進(jìn)行回收，如上圖所示。標(biāo)記-清除算法不需要進(jìn)行對(duì)象的移動(dòng)，并且僅對(duì)不存活的對(duì)象進(jìn)行處理，在存活對(duì)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(duì)象，因此會(huì)造成內(nèi)存碎片。

3.compacting算法 或 標(biāo)記-整理算法

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(duì)象的標(biāo)記，但在清除時(shí)不同，在回收不存活的對(duì)象占用的空間后，會(huì)將所有的存活對(duì)象往左端空閑空間移動(dòng)，并更新對(duì)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(duì)象的移動(dòng)，因此成本更高，但是卻解決了內(nèi)存碎片的問(wèn)題。在基于Compacting算法的收集器的實(shí)現(xiàn)中，一般增加句柄和句柄表。

4.copying算法(Compacting Collector)

該算法的提出是為了克服句柄的開(kāi)銷和解決堆碎片的垃圾回收。它開(kāi)始時(shí)把堆分成 一個(gè)對(duì)象 面和多個(gè)空閑面， 程序從對(duì)象面為對(duì)象分配空間，當(dāng)對(duì)象滿了，基于copying算法的垃圾收集就從根集中掃描活動(dòng)對(duì)象，并將每個(gè)活動(dòng)對(duì)象復(fù)制到空閑面(使得活動(dòng)對(duì)象所占的內(nèi)存之間沒(méi)有空閑洞)，這樣空閑面變成了對(duì)象面，原來(lái)的對(duì)象面變成了空閑面，程序會(huì)在新的對(duì)象面中分配內(nèi)存。

一種典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它將堆分成對(duì)象面和空閑區(qū)域面，在對(duì)象面與空閑區(qū)域面的切換過(guò)程中，程序暫停執(zhí)行。

5.generation算法(Generational Collector)

分代的垃圾回收策略，是基于這樣一個(gè)事實(shí)：不同的對(duì)象的生命周期是不一樣的。因此，不同生命周期的對(duì)象可以采取不同的回收算法，以便提高回收效率。

年輕代（Young Generation）

1. 所有新生成的對(duì)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(duì)象。
2. 新生代內(nèi)存按照8:1:1的比例分為一個(gè)eden區(qū)和兩個(gè)survivor(survivor0,survivor1)區(qū)。一個(gè)Eden區(qū)，兩個(gè)Survivor區(qū)(一般而言)。大部分對(duì)象在Eden區(qū)中生成。回收時(shí)先將eden區(qū)存活對(duì)象復(fù)制到一個(gè)survivor0區(qū)，然后清空eden區(qū)，當(dāng)這個(gè)survivor0區(qū)也存放滿了時(shí)，則將eden區(qū)和survivor0區(qū)存活對(duì)象復(fù)制到另一個(gè)survivor1區(qū)，然后清空eden和這個(gè)survivor0區(qū)，此時(shí)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)。
3. 當(dāng)survivor1區(qū)不足以存放 eden和survivor0的存活對(duì)象時(shí)，就將存活對(duì)象直接存放到老年代。若是老年代也滿了就會(huì)觸發(fā)一次Full GC，也就是新生代、老年代都進(jìn)行回收
4. 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))。

年老代（Old Generation）

1. 在年輕代中經(jīng)歷了N次垃圾回收后仍然存活的對(duì)象，就會(huì)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(zhǎng)的對(duì)象。
2. 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(shí)觸發(fā)Major GC即Full GC，F(xiàn)ull GC發(fā)生頻率比較低，老年代對(duì)象存活時(shí)間比較長(zhǎng)，存活率標(biāo)記高。

持久代（Permanent Generation）

用于存放靜態(tài)文件，如Java類、方法等。持久代對(duì)垃圾回收沒(méi)有顯著影響，但是有些應(yīng)用可能動(dòng)態(tài)生成或者調(diào)用一些class，例如Hibernate 等，在這種時(shí)候需要設(shè)置一個(gè)比較大的持久代空間來(lái)存放這些運(yùn)行過(guò)程中新增的類。

三、GC（垃圾收集器）

新生代收集器使用的收集器：Serial、PraNew、Parallel Scavenge
老年代收集器使用的收集器：Serial Old、Parallel Old、CMS

• 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(diǎn)是簡(jiǎn)單高效。

• 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(shí)間/(用戶線程時(shí)間+GC線程時(shí)間)。適合后臺(tái)應(yīng)用等對(duì)交互相應(yīng)要求不高的場(chǎng)景。

• 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?jī)?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(shí)間，cpu占用比較高，響應(yīng)時(shí)間快，停頓時(shí)間短，多核cpu 追求高響應(yīng)時(shí)間的選擇。

四、GC的執(zhí)行機(jī)制

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

Scavenge GC

一般情況下，當(dāng)新對(duì)象生成，并且在Eden申請(qǐng)空間失敗時(shí)，就會(huì)觸發(fā)Scavenge GC，對(duì)Eden區(qū)域進(jìn)行GC，清除非存活對(duì)象，并且把尚且存活的對(duì)象移動(dòng)到Survivor區(qū)。然后整理Survivor的兩個(gè)區(qū)。這種方式的GC是對(duì)年輕代的Eden區(qū)進(jìn)行，不會(huì)影響到年老代。因?yàn)榇蟛糠謱?duì)象都是從Eden區(qū)開(kāi)始的，同時(shí)Eden區(qū)不會(huì)分配的很大，所以Eden區(qū)的GC會(huì)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(lái)。

Full GC

對(duì)整個(gè)堆進(jìn)行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因?yàn)樾枰獙?duì)整個(gè)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(duì)JVM調(diào)優(yōu)的過(guò)程中，很大一部分工作就是對(duì)于FullGC的調(diào)節(jié)。有如下原因可能導(dǎo)致Full GC：

1. 年老代（Tenured）被寫滿
2. 持久代（Perm）被寫滿
3. System.gc()被顯示調(diào)用
4. 上一次GC之后Heap的各域分配策略動(dòng)態(tài)變化

五、Java有了GC同樣會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄露問(wèn)題

1.靜態(tài)集合類像HashMap、Vector等的使用最容易出現(xiàn)內(nèi)存泄露，這些靜態(tài)變量的生命周期和應(yīng)用程序一致，所有的對(duì)象Object也不能被釋放，因?yàn)樗麄円矊⒁恢北籚ector等應(yīng)用著。

Static Vector v = new Vector(); 
for (int i = 1; i<100; i++) 
{ 
    Object o = new Object(); 
    v.add(o); 
    o = null; 
}

在這個(gè)例子中，代碼棧中存在Vector 對(duì)象的引用 v 和 Object 對(duì)象的引用 o 。在 For 循環(huán)中，我們不斷的生成新的對(duì)象，然后將其添加到 Vector 對(duì)象中，之后將 o 引用置空。問(wèn)題是當(dāng) o 引用被置空后，如果發(fā)生 GC，我們創(chuàng)建的 Object 對(duì)象是否能夠被 GC 回收呢？答案是否定的。

因?yàn)椋?GC 在跟蹤代碼棧中的引用時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn) v 引用，而繼續(xù)往下跟蹤，就會(huì)發(fā)現(xiàn) v 引用指向的內(nèi)存空間中又存在指向 Object 對(duì)象的引用。也就是說(shuō)盡管o 引用已經(jīng)被置空，但是 Object 對(duì)象仍然存在其他的引用，是可以被訪問(wèn)到的，所以 GC 無(wú)法將其釋放掉。如果在此循環(huán)之后， Object 對(duì)象對(duì)程序已經(jīng)沒(méi)有任何作用，那么我們就認(rèn)為此 Java 程序發(fā)生了內(nèi)存泄漏。

2.各種連接，數(shù)據(jù)庫(kù)連接，網(wǎng)絡(luò)連接，IO連接等沒(méi)有顯示調(diào)用close關(guān)閉，不被GC回收導(dǎo)致內(nèi)存泄露。

3.監(jiān)聽(tīng)器的使用，在釋放對(duì)象的同時(shí)沒(méi)有相應(yīng)刪除監(jiān)聽(tīng)器的時(shí)候也可能導(dǎo)致內(nèi)存泄露。