Java 垃圾回收

在 C 和 C++ 中，许多对象要求程序员声明他们后为其分配资源，然后才能安全地使用对象。使用完后，则需要程序员将这些资源释放到自由内存池。如果资源得不到释放，则认为代码泄露内存。然而，如果过早地释放，又可能发生数据丢失、Null指针等问题。

Java 和 C# 都有单独的管理应用程序管理对象的生存期并进行垃圾回收 (Garbage Collection - GC) ，这样程序员可以不再关心内存释放问题，保证系统的性能和稳定性。

这里记录 Java 垃圾回收相关知识点，后面会再记录 C# 垃圾回收。

部分借鉴网络一些总结文章

1 Java 垃圾回收

Java 中，JVM 通过跟踪已经分配资源的引用来释放不再使用的堆存。只要 JVM 检测到对象不再被引用，垃圾回收器就会在适当的时候回收对象。

1.1 JVM

下载 Java 的时候，我们会得到 JRE (Java Runtime Environment)，JRE 中包括了 JVM (Java Virtual Machine) 和 类库 （Java platform core classes， Java platform libraries)。

Java 语言的一个重要特点就是与平台无关，即得益于 JVM 的引入，Java在不同平台上运行时不需要重新编译，秩序生成在 JVM 上运行的目标代码，就可以多平台运行。

JVM 定义了程序执行期间是用的数据区域，如程序计数器、堆、栈、方法区、运行时常量池等。这些数据区域中的一些在JVM启动时创建，JVM退出时销毁。

1.2 Java 对象生命周期

Java 中，对象的生命周期包括：

public class ObjectLifecycle {public static void main(String[] args) {ObjectLifecycle obj = new ObjectLifecycle();  // 创建阶段// 使用阶段obj = null;  // 不可达阶段System.gc();  // 触发垃圾回收，进入回收阶段}@Overrideprotected void finalize() throws Throwable {super.finalize();System.out.println("垃圾回收前调用finalize方法");}
}

2 如何判断一个对象可被回收

2.1 引用计数算法

给对象添加一个引用计数器，对象每增加一个引用，计数器加1，引用失效计数器减1，引用计数为0的对象可以被回收。

假如两个对象互相引用，那么引用计数器永远不会为0，导致对象无法回收，因此 JVM 不再使用引用计数算法：

public class ReferenceCountingGC {public Object instance = null;public static void main(String[] args) {ReferenceCountingGC objectA = new ReferenceCountingGC();ReferenceCountingGC objectB = new ReferenceCountingGC();objectA.instance = objectB;objectB.instance = objectA;}
}

2.2 可达性分析算法

通过 GC Roots 作为起始点进行搜索，所有不可达的对象即为可被回收的对象。

Java 虚拟机使用该算法来判断对象是否可被回收，在 Java 中 GC Roots 一般包含以下内容:

在虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象:

Java public void method() { Object localVariable = new Object(); // localVariable是GC Roots }

在方法区中类静态属性引用的对象:

Java public class MyClass { private static Object staticObject = new Object(); // staticObject是GC Roots }

在方法区中常量引用的对象:

Java public class MyClass { private static final String CONSTANT_STRING = “constant”; // CONSTANT_STRING是GC Roots }

在本地方法栈中JNI(即通常所说的Native方法)引用的对象:

Java虚拟机内部的引用，如基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象(比如NullPointExcepiton、OutOfMemoryError)等，还有系统类加载器。

所有被同步锁(synchronized关键字)持有的对象:

Javapublic synchronized void synchronizedMethod() { // 当前对象(this)在执行同步方法时是GC Roots }

所有被同步锁(synchronized关键字)持有的对象:

3 垃圾回收过程

3.1 总体过程

Step1. 标记 （Marking）
GC 在这个阶段辨别内存是否被使用，被引用的对象这里展示为蓝色，没有被引用的为橙色。这个过程效率不高

Step2: 标准清理 （Normal Deletion）
清理时，直接把可以回收的对象内存释放，留下被引用的对象和指向可用空间的指针。内存碎片会导致没有足够连续的空间给大对象分配内存

Step3: 压缩清理 (Deletion with Compacting)

通过把被引用的对象都移动到一起，后续为新对象分配内存则会更加容易和快速。

3.2 为什么要进行世代垃圾回收？

如上所述，标记和压缩 JVM 中所有对象是相当低效的，随着分配的对象越来越多，对象表越来越到，导致垃圾回收时间越来越长。同时，又有大量实证表明，大多数对象生命都是短暂的。

下面是数据示例图，Y周显示分配的字节数存活时间，X是随着时间推移分配的字节数。

即随着时间推移，分配的对象越来越少对。

因此，从对象分配的行为中，为了提高JVM 性能，堆被分为了更小的部分（或成为代），分别是：新生代(Young Gneration)、老年代 （Old Generation） 和 永久代（Permanent Generation）.

新生代：新对象首先被分配到这里，当年轻代内存用尽，会触发一次 minor garbage colletion。如果对象的死亡率高，那么这次 minor garbage collection 则会有效的优化内存。新生代会被分为一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间，每次使用一块 Eden 和一块 Survivor。回收时，会将 Eden 和 Survivor 中还存活得对象复制到另一块 Survivor空间中，最后清理 Eden 和使用过的那一块 Survivor。

这个过程会快速地完成，当另一块 Survivor不足以存放 Eden 和 Survivor 存活对象时，所有幸存对象 (surviving objects) 会被标记年龄并移动到 old generation。

Minor GC - Stop the world Event：Minor GC 是 Stop the world 的行为，即所有的应用县城都要停止，直到整个操作完成。

老年代: 一般来说，新生代对象的age达到一定的阈值，就会被移动到老年代，而老年代的回收称为 major garbage collection。

Major GC - Stop the world Event: Major GC 也是 Stop the world 的行为，通常会更慢一些，所以对于响应式应用程序，应该尽量减少这类GC，由于 Java 虚拟机提供了多种垃圾回收器，这个GC的长度受垃圾回收器所影响。

永久代: 这里面包括了 JVM 描述应用进程中是用的类和方法所需要的静态文件。永久代也被称为方法区，方法区的回收内容主要是 废弃常量和无用的类。

3.3 分代垃圾回收过程

上面我们理解了为什么要分代回收和回收的基本操作，下面展示具体回收过程：

1. 一个新的对象分配内存并记录在 Eden 区域
2. 当 Eden 区域占满，触发一次 minor GC

3. 被引用对象移动到第一块 Survivor 区域（S0），没有被引用的对象则被删除

4. 在下一次 Minor GC，类似上一步没有被引用的对象被释放，Eden 和 引用对象则会被一起移动到第二块 Survivor 区域（S1），移动后，Eden 和 S0 被清空，可以看到现在 S1 区域有不同age的对象。

5. 下次 Minor GC，同样的流程重复。但是这次 S0 和 S1 互换。引用的对象会被移动到 S0，幸存的对象 age 继续增加，Eden 和 S1 都被清空。

6. 经过几次 Minor GC 之后，对象age达到阈值（这里为8），他们就会被移动到老年代

7.随着Minor GC 不停地进行，幸存的对象持续promote到老年代

8. 随着老年代 的对象不断增多，最终会触发 Major GC 来释放更多的内存空间。