JVM的垃圾回收机制(GC机制)

在Java代码运行的过程中，JVM发现 某些资源不需要再使用的时候，就会自动把资源所占的内存给回收掉，就不需要程序员自行操作了。“自动回收资源”就是JVM的“垃圾回收机制”，“垃圾回收机制”也称"GC机制"。

对于Java代码来说，"垃圾回收机制"的回收对象就是"堆"上的对象。因为"栈"上的局部变量，跟随栈帧的生命周期，一个方法执行结束，栈帧销毁，内存也就释放了；"方法区"中的静态变量，跟随着"类"的生命周期，因此静态变量是在程序运行期间始终存在的，无需释放。那么"垃圾"就是 "堆"中的对象。

垃圾回收机制可以分为两大步骤："找垃圾"，"回收垃圾"。

1. 找垃圾

"找垃圾"有两种方式，分别是 引用计数(python的方式) 和 可达性分析(Java的方式)。

1.1 引用计数

对于一个new出来的对象，会单独安排一块内存空间 来保存一个计数器。这个计数器 就用来描述当前这个对象 有几个引用指向它。当计数器为0时，也就意味着没有引用指向这个对象了，那么这个对象就是"垃圾"了。

1.2 可达性分析

在Java代码运行的过程中，会有一个或一组扫描线程，周期性地扫描代码中的所有对象。这个扫描线程，会从一些特定的对象出发，尽可能地进行遍历访问，把所有能够访问到的对象 标记为 可达。反之，经过扫描之后，没有被标记的对象，就是"垃圾"了。可达性分析 是周期性地进行，会消耗一定地系统资源。

2. 回收垃圾

2.1 标记清除

把找到的"垃圾"对象直接释放掉，这就是标记清除的回收方式。这种方式并不好，因为这样的回收垃圾的方法会导致内存中有很多的内存碎片。随着程序的运行，内存碎片会越来越多，这就会导致后续申请内存空间时非常困难。回收垃圾的目的本就是为了释放内存空间，从而让其它进程申请到内存空间，但这种释放内存的方式并没有达到想要的效果。

如下图，虽然此时内存中共有3MB的空闲内存，但都不是连续的，因此其它进程只能申请到小于等于1MB的内存。

2.2 复制算法 

复制算法是对"标记清除"方式的优化，申请到内存之后，只使用内存的一半来存储有效对象。出现有内存碎片时，就将有效对象归类到一起，也就是把有效对象拷贝到 存储有效对象的一半内存中，然后再将另一半内存进行释放。

复制算法能够防止出现内存碎片，但这个方式的内存利用率不高，且如果有效对象很多，拷贝的成本就很大了，效率太低。 

2.3  标记整理

标记整理 则是对 标记清除 和 复制算法 的优化，当内存中出现内存碎片时，则会将有效对象拷贝到空闲的内存中，将其覆盖，类似于顺序表删除元素的操作，这样就可以避免内存碎片了。但也涉及到了同样的问题，当需要拷贝的对象太多时，也会有很大的内存开销。

2.4 分代回收

JVM在回收垃圾时，采用的方式一般就是 “分代回收”。此方法则是将堆区 划分为 两个区域，分别是"新生代" 和 "老年代"。"新生代"区域又划分为两个区域，分别是"伊甸区" 和 "幸存区"，幸存区被划分为两块大小相同的区域。

刚创建出来的对象都会出现在"新生代"区域，“GC扫描线程” 会对 新生代区域的对象进行扫描。虽然从 对象的诞生 到 第一轮可达性分析扫描的过程 不会间隔较长时间，但在这段时间里，大部分对象都会成为"垃圾"。因为，这段时间对于程序而言，已经是挺长的时间了，在这个时间段中，对象的引用很快就会随着方法的执行完毕就销毁了，那么这些对象就会成为"垃圾"了。

经过一轮扫描之后，幸存下来的对象就会被拷贝到"幸存区"的一半区域中，"伊甸区"的内存就可以整体释放了。虽然这个过程涉及到了拷贝对象的操作，但一般拷贝的对象并不多，因此内存开销是可承受的。GC扫描线程会在后续的扫描过程中，去扫描"幸存区"中的对象。如果幸存区中的对象经过一轮扫描后仍在存在，则会把这个对象拷贝到幸存区的另一半中。在幸存区中，每经过一轮扫描，幸存下来的对象都会被拷贝到幸存区的另一半。幸存的对象在幸存区来回拷贝的过程中，会有许多对象被回收掉。如果经过多次扫描，幸存区中的某些对象一直存在，JVM则会把这些对象放在“老年代”中。相比于“新生代”，“老年代”区域的扫描频率要低，因为JVM认为“老年代”中的对象存活的时间较长。

将整个堆区划分为"新生代"和"老年代"，也是为了降低GC扫描的开销。

分代回收则是通过上述的方式来进行垃圾回收，也是综合了 标记清除，复制算法，标记整理的优点，降低内存开销的同时，也避免了内存碎片。