JVM系列（2）——垃圾回收

一、什么是GC

垃圾回收（Garbage Collection，GC）：釋放垃圾占用的空間，防止記憶體泄露，有效的使用記憶體，對已經死亡的或者長時間沒有使用的物件進行清除和回收，

二、GC發生在哪里

想了解GC發生在哪里，就一定要知道jvm記憶體區域，詳情請參考JVM系列（1）——java記憶體區域，
我們簡單陳述下：
（1）程式計數器：占用記憶體小，執行緒私有的，記錄的是正在執行的虛擬機位元組碼指令的地址，只記錄執行到哪里了，方法或者執行緒結束后，記憶體自然隨之回收，
（2）虛擬機堆疊&&本地方法堆疊：每個堆疊幀中包含區域變數表、運算元堆疊、動態鏈接、方法出口等，區域變數表存放基本資料型別、物件參考型別（參考指標）等資訊，因為是執行緒私有的，方法或者執行緒結束后，記憶體自然隨之回收，
（3）方法區：用于存盤已被虛擬機加載的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯后的代碼等資料，GC在這個區域是比較少出現的，其記憶體回收目標主要是針對常量池的回收和對型別的卸載，是執行緒共享區域，記憶體分配和回收是動態的，
（4）堆：是 Java 虛擬機所管理的記憶體中最大的一塊，Java 堆是被所有執行緒共享的一塊記憶體區域，在虛擬機啟動時創建，此記憶體區域的唯一目的就是存放物件實體，幾乎所有的物件實體都在這里分配記憶體，是垃圾收集器管理的主要區域，
總上所述，堆和方法區因為是執行緒共享的，而堆所占記憶體又極大，所以堆是GC的主要區域，

三、判斷物件已"死"

物件已死嗎？這個問題也可以說成：哪些物件可以被回收？其實很好回答，不用的垃圾，就要扔掉（回收）了，
在java中，怎么判斷物件沒用了呢，在GC里面有兩種演算法來判斷，一種是參考計數演算法，物件參考的次數為0就是垃圾，另一種是可達性演算法，如果一個物件不在以GC Root根節點為起點的參考鏈中，則視為垃圾，

3.1 參考型別

在談以上兩種演算法之前，我們先說一下參考是什么，
參考的定義：reference型別的資料中存盤的數值代表的是另外一塊記憶體的起始地址，就稱這塊記憶體代表著一個參考，參考分為強參考、軟參考、弱參考、虛參考，
（1）強參考：GC時，永遠不會被回收，程式中普遍存在的一種參考 Object object = new Object()，如果記憶體不足，JVM會拋出OOM錯誤也不會回收object指向的物件，強參考是引起OOM的主要原因，
如果方法或者執行緒運行完之后，object已經不存在了，也就是說參考沒有了，所以它指向的物件會被JVM回收，
如果想中斷強參考和某個物件之間的關聯，可以顯示地將參考賦值為null，這樣一來的話，JVM在合適的時間就會回收該物件，比如Vector類的clear方法中就是通過將參考賦值為null來實作清理作業的，
如圖所示：

（2）軟參考：有用但不是必需的物件時，例如快取，就可以使用軟參考，只要記憶體空間足夠，軟參考物件就不會被回收，將要發生記憶體溢位例外之前，會將軟參考的物件回收，如果回收之后還沒有足夠的記憶體的話，就會拋出OOM，

應用場景舉例：有一個應用需要讀取大量的本地圖片，如果每次讀取圖片都從硬碟中讀取則會嚴重影響性能，如果一次全部加載到記憶體中又可能會造成記憶體溢位，這時候利用軟參考存盤圖片的參考，就能做到及時回收，
（3）弱參考：弱參考也是用來描述非必需物件的，它的強度比軟參考還要弱，當JVM進行垃圾回收時，無論記憶體是否充足，都會回收被弱參考關聯的物件，

參考：理解Java中的弱參考（Weak Reference）
應用場景舉例：
現在有一個Product類代表一種產品，這個類被設計為不可擴展的，而此時我們想要為每個產品增加一個編號，一種解決方案是使用HashMap<Product, Integer>，
于是問題來了，如果我們已經不再需要一個Product物件存在于記憶體中（比如已經賣出了這件產品），假設指向它的參考為productA，我們這時會給productA賦值為null，然而這時productA過去指向的Product物件并不會被回收，因為它顯然還被HashMap<key，value>中的key參考著，所以這種情況下，我們想要真正的回收一個Product物件，僅僅把它的強參考賦值為null是不夠的，還要把相應的條目從HashMap中移除，根據前面弱參考的定義，使用弱參考能幫助我們達成這個目的，我們只需要用一個指向Product物件的弱參考物件來作為HashMap中的key就可以了，

Product productA = new Product();
WeakReference<Product> weakProductA = new WeakReference<>(productA);
HashMap<weakProductA，Integer> = new HashMap<>();

獲取productA 物件方法：

Product product = weakProductA.get();

實際上，對于這種情況，Java類別庫為我們提供了WeakHashMap類，使用和這個類，它的鍵自然就是弱參考物件，無需我們再手動包裝原始物件，
（4）虛參考：虛參考和前面的軟參考、弱參考不同，它并不影響物件的生命周期，在java中用java.lang.ref.PhantomReference類表示，如果一個物件與虛參考關聯，則跟沒有參考與之關聯一樣，在任何時候都可能被垃圾回收器回收，為一個物件設定虛參考關聯的唯一目的就是能在這個物件被收集器回收時收到一個系統通知，
jdk中直接記憶體的回收就用到虛參考，由于jvm自動記憶體管理的范圍是堆記憶體，而直接記憶體是在堆記憶體之外，所以直接記憶體的分配和回收都是有Unsafe類去操作，java在申請一塊直接記憶體之后，會在堆記憶體分配一個物件保存這個堆外記憶體的參考，這個物件被垃圾收集器管理，一旦這個物件被回收，相應的用戶執行緒會收到通知并對直接記憶體進行清理作業，

3.2 參考計數演算法

物件被參考時就會在此物件的物件頭上計數器加一，每當有一個參考失效時計數器的值減一，如果沒有參考(參考次數為0)則此物件可回收，
但是這種演算法很難解決物件之間互相回圈參考的問題，如果物件之間相互參考，它們的參考計數不會為0 ，但是java虛擬機中并不會因為物件回圈參考而不去回收它們，所以虛擬機不是通過參考計數演算法來判斷物件是否存活的，

3.3 可達性分析演算法

為了解決上述問題，引入了可達性分析演算法，通過一系列被稱為“GC Roots”的點作為起始點，從這些節點開始向下搜索，搜索的路徑稱為參考鏈，當一個物件到GC Roots不可達的時候，則證明此物件是可回收的，

如下圖，從GC Root不能到達物件567，所以這三個物件是不可用的，
可做GC Roots的物件有 虛擬機堆疊中參考的物件（本地變數表）、方法區中靜態屬性參考的物件、方法區中常量參考的物件、本地方法堆疊中參考的物件（Native物件），

3.4 finalize()方法

是Object類的一個方法，因為所有的類都繼承自Object類，所以所有的類都有finalize方法，
真正宣告一個物件進入死亡之前，會進行兩次標記：第一次是可達性分析之后，發現可以回收，會進行標記；第二次是先進行是否有必要呼叫finalize()方法的篩選，篩選規則：有沒用重寫finalize()方法，第二次執行finalize()方法，判定為沒有必要呼叫，
若需要呼叫，則進行第二次標記，然后進行物件回收，
強烈不建議使用此方法，不確定性太大，無法保證物件呼叫順序，

四、垃圾回收演算法

在介紹演算法之前，我們看一下HotSpot的堆模型，參考文章： JVM系列（3）——記憶體分配與回收策略（ps：明天發）

4.1標記—清除演算法

（1）先標記、后清除，標記在上文中已經提到了，
（2）缺點：標記與清除效率低下；會產生大量記憶體碎片，記憶體不夠連續，可能導致記憶體充足，但是大物件無法存盤的情況，

4.2 復制演算法

（1）將記憶體劃分為相等的兩塊區域A和B，一次只用其中一塊A，當需要垃圾回收時，將A中所有存活的物件復制到B，然后清除A，使用B，就這樣周而復始，
（2）運行高效，實作簡單，但是記憶體縮小為原來的一半，代價太高，

HotSpot虛擬機的新生代中使用了此方法，可以看JVM系列（3）——記憶體分配與回收策略（ps：明天發），

4.3 標記—整理演算法

（1）先標記，再整理（讓所有存活的物件都向一端移動），最后清除，
（2）標記整理演算法對記憶體變動更頻繁，需要整理所有存活物件的參考地址，在效率上比復制演算法要差很多，

4.4 分代收集演算法

當前商業虛擬機中采用的演算法，分代收集演算法是融合上述3種基礎的演算法思想，而產生的針對不同情況所采用不同演算法的一套組合拳，根據物件存活周期的不同將記憶體劃分為幾塊，參考：JVM系列（3）——記憶體分配與回收策略（ps：明天發），
（1）在新生代中，每次垃圾收集時都發現有大批物件死去，只有少量存活，那就選用復制演算法，只需要付出少量存活物件的復制成本就可以完成收集，
（2）在老年代中，因為物件存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔保，就必須使用標記-清理演算法或者標記-整理演算法來進行回收，

五、垃圾回收器

垃圾回收器是記憶體回收的具體實作，

（1）Serial收集器是最古老的收集器，它的缺點是當Serial收集器想進行垃圾回收的時候，必須暫停用戶的所有行程，即stop the world，Serial收集器由于沒有執行緒互動的開銷，專心做垃圾回收自然可以獲得最高的單執行緒收集效率，
（2）Pernew（新生代、多執行緒，Serial收集器的多執行緒版本（使用多條執行緒進行GC），它是運行在server模式下的首選新生代收集器，除了Serial收集器外，目前只有它能與CMS收集器配合作業，
（3）ParNew Scanvenge（新生代、多執行緒，類似ParNew，但更加關注吞吐量，
停頓時間和吞吐量不可能同時調優，在GC的時候，垃圾回收的作業總量是不變的，如果將停頓時間減少，那頻率就會提高；既然頻率提高了，說明就會頻繁的進行GC，那吞吐量就會減少，性能就會降低，
（4）CMS收集器（Concurrent Mark Sweep：并發標記清除）是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器，
CMS收集器運行程序：（著重實作了標記的程序）

（1）初始標記
（2）并發標記（和用戶執行緒一起運行）
（3）重新標記
（4）并發清除（和用戶執行緒一起運行）

初始標記和并發標記是要SWT的，缺點也很明顯：

（1）占用資源，導致用戶的執行速度降低，
（2）無法處理浮動垃圾，因為它采用的是標記-清除演算法，用戶執行緒在運行時會不斷產生新的垃圾，有可能有些垃圾在標記之后，需要等到下一次GC才會被回收，如果CMS運行期間無法滿足程式需要，那么就會臨時啟用Serial Old收集器來重新進行老年代的收集，
（3）由于采用的是標記-清除演算法，那么就會產生大量的碎片，往往會出現老年代還有很大的空間剩余，但是無法找到足夠大的連續空間來分配當前物件，不得不提前觸發一次full GC，

（5）G1回收器：并行并發執行，分代收集，且結合標記——整理和復制演算法，能夠預測停頓，程序如下：

（1）初始標記
（2）并發標記
（3）最終標記
（4）篩選回收

G1回收器對垃圾回收進行了劃分優先級的操作，這種有優先級的區域回收方式保證了它的高效率，