Java虚拟机 —— 垃圾回收机制

在Java虚拟机中，对象和数组的内存都是在堆中分配的，垃圾收集器主要回收的内存就是再堆内存中。如果在Java程序运行过程中，动态创建的对象或者数组没有及时得到回收，持续积累，最终堆内存就会被占满，导致OOM。

JVM提供了一种垃圾回收机制，简称GC机制。通过GC机制，能够在运行过程中将堆中的垃圾对象不断回收，从而保证程序的正常运行。

垃圾对象的判定

我们都知道，所谓“垃圾”对象，就是指我们在程序的运行过程中不再有用的对象，即不再存活的对象。那么怎么来判断堆中的对象是“垃圾”、不再存活的对象呢？

引用计数法

每个对象都有一个引用计数的属性，用来保存该对象被引用的次数。当引用次数为0时，就意味着该对象没有被引用了，也就不会在使用这个对象了，可以判定为垃圾对象。但是，这种方式有一个很大的Bug，就是无法解决对象间相互引用或者循环引用的问题：当两个对象相互引用，他们两个和其他任何对象也没有引用关系，它俩的引用次数都不为0，因此不会被回收，但实际上这两个对象已经不再有用了。

可达性分析（根搜索法）

为了避免使用引用计数法带来的问题，Java采用了可达性分析法来判断垃圾对象。

这种方式可以将所有对象的引用关系想象成一棵树，从树的根节点GC Root遍历所有引用的对象，树的节点就为可达对象，其他没有处于节点的对象则为不可达对象。

那么什么样的对象可以作为GC的根节点呢？

• 虚拟机栈（帧栈中的本地变量表）中引用的对象
• 方法区中静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈中JNI引用的对象

引用状态

垃圾回收机制，不管采用是引用计数法，还是可达性分析法，都与对象的引用有关，Java中存在四种引用状态：

• 强引用 - 我们使用的大部分引用实际上都是强引用，这是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，就表示它处于可达状态，垃圾回收器绝不会回收它，即便系统内存非常紧张，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会回收被强引用所引用的对象。因此，强引用是造成Java内存泄露的主要原因之一。

• 软引用 - 一个对象只具有软引用，如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。

• 弱引用 - 一个对象只具有弱引用，那就类似于是可有可无的。弱引用和软引用很像，但弱引用的引用级别更低。弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。

• 虚引用 - 一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动，我们平常一般不会使用。

垃圾回收算法

通过可达性分析算法能够判定哪些对象是需要回收的了，那么回收具体需要怎样去执行呢？

标记-清除算法

首先需要标记可以回收的对象内存，然后在对回收的内存进行清除。

标记-清除算法（回收前）
标记-清除算法（回收后）

但是这样的话，随着程序的运行，会不断分配释放内存，在堆中会产生很多的不连续的空闲内存区，即内存碎片。这样即使有足够多的空闲内存，也不一定能分配出足够大的内存，并且可能会造成频繁的GC，影响效率，甚至OOM。

标记-整理算法

和标记-清除算法不同的是，标记-整理算法在标记后不直接清理可回收内存，而是将存活对象都移动到一端，然后清除掉可回收内存。

标记-整理算法（回收前）
标记-整理算法（回收后）

这样做的好处就是不会产生内存碎片。

复制算法

复制算法需要先将内存分为两块，先在其中一块内存上分配内存，当这块内存被分配完后，则执行垃圾回收，然后把存活对象全部复制到另一块内存上，第一块内存则全部清空。

复制算法（回收前）
复制算法（回收后）

这种算法不会产生内存碎片，但是相当于只能使用一半的内存空间。同时，复制算法和存活对象的数量有关，如果存活对象的数量多，那么复制算法的效率会大大降低。

分代收集算法

在Java虚拟机中，对象的生命周期有长有短，大部分对象的生命周期很短，只有少部分的对象才会在内存中存留较长时间，因此可以依据对象生命周期的长短将它们放在不同的区域。在采用分代收集算法的Java虚拟机堆中，一般分为三个区域，用来分别储存这三类对象：

• 新生代 - 刚创建的对象，在代码运行时一般都会持续不断地创建新的对象，这些新创建的对象有很多是局部变量，很快就会变成垃圾对象。这些对象被放在一块称为新生代的内存区域。新生代的特点是垃圾对象多，存活对象少。

• 老年代 - 一些对象很早被创建了，经历了多次GC也没有被回收，而是一直存活下来。这些对象被放在一块称为老年代的区域。老年代的特点是存活对象多，垃圾对象少。

• 永久代 - 一些伴随虚拟机生命周期永久存在的对象，比如一些静态对象，常量等。这些对象被放在一块称为永久代的区域。永久代的特点是这些对象一般不需要垃圾回收，会在虚拟机运行过程中一直存活。（在Java1.7之前，方法区中存储的是永久代对象，Java1.7方法区的永久代对象移到了堆中，而在Java1.8永久代已经从堆中移除了，这块内存给了元空间。）

分代收集算法也就根据新生代和老年代来进行垃圾回收的。

对于新生代区域，每次GC都会有很多垃圾对象被回收，只有少量存活。因此采用复制回收算法，GC时把剩余很少的存活对象复制过去即可。

在新生代区域中，并不是按照1:1的比例来进行复制回收，而是按照8:1:1的比例分为了Eden、SurvivorA、SurvivorB三个区域。其中Eden意为伊甸园，形容有很多新生对象在里面创建；Survivor区则为幸存者，即经历GC后仍然存活下来的对象。

1. Eden区对外提供堆内存。当Eden区快要满了，则进行Minor GC(新生代GC)，把存活对象放入SurvivorA区，清空Eden区；
2. Eden区被清空后，继续对外提供堆内存；
3. 当Eden区再次被填满，此时对Eden区和SurvivorA区同时进行Minor GC(新生代GC)，把存活对象放入SurvivorB区，此时同时清空Eden区和SurvivorA区；
4. Eden区继续对外提供堆内存，并重复上述过程，即在 Eden 区填满后，把Eden区和某个Survivor区的存活对象放到另一个Survivor区；
5. 当某个Survivor区被填满，且仍有对象未被复制完毕时，或者某些对象在反复Survive 15次左右时，则把这部分剩余对象放到老年代区域；当老年区也被填满时，进行Major GC（老年代GC），对老年代区域进行垃圾回收。

老年代区域对象一般存活周期较长，每次GC时，存活的对象比较多，因此采用标记-整理算法，GC时移动少量存活对象，不会产生内存碎片。

触发GC的类型

Java虚拟机会把每次触发GC的信息打印出来，可以根据日志来分析触发GC的原因。

• GC_FOR_MALLOC：表示是在堆上分配对象时内存不足触发的GC。
• GC_CONCURRENT：当我们应用程序的堆内存达到一定量，或者可以理解为快要满的时候，系统会自动触发GC操作来释放内存。
• GC_EXPLICIT：表示是应用程序调用System.gc、VMRuntime.gc接口或者收到SIGUSR1信号时触发的GC。
• GC_BEFORE_OOM：表示是在准备抛OOM异常之前进行的最后努力而触发的GC。

参考：

• Java内存回收机制--Java引用的种类（强引用、弱引用、软引用、虚引用）
• 理解Java垃圾回收机制
• Java 技术之垃圾回收机制