深入理解 Java 之 GC 到底如何工作
当程序创建对象，数组等引用类型实体时，系统都会在堆内存中为之分配一块内存区，对象就保存在这块内存区，当这块内存不再被任何变量引用时，这块内存就变成垃圾，系统就要回收。
- 只回收堆内存中对象，不会回收物理资源
- 程序无法精确控制回收时机。
- 在垃圾回收机制回收任何对象之前，总会先调用它的 finlize() 方法，可能导致垃圾回收机制取消。
如何判断对象是否已经死亡？
- 引用计数算法
古老的判断对象是否存活的算法是：给对象添加一个计算器，一旦有地方引用该对象，则计数器加一，当引用失效时，就减一。任何计数器为 0 的对象，就不能再使用了。这种算法虽然经典，但是其并不能解决一个对象之间相互循环引用的问题。
public class RefreenceCount{
class GcObject{
public Object instance = null;
}
public static void main(String[] args){
GcObject o1 = new GcObject();
GcObject o2 = new GcObject();
o1.instance = o2; // 1
o2.instance = o1; // 2
o1 = null;
o2 = null;
}
}
如上我们在最后注释一和注释二处还是无法释放对方。这样会造成堆溢出。
- 可达性分析算法
主流的语言中都是通过可达性算法分析对象是否存活的：通过一系列称为 “GC Roots” 对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，其所走过的路径称为引用链，当一个对象到 GC Roots 不可达时，则该对象是不可用的，也就是判断这些对象为可回收的。
在 Java 语言中，如下可作为 GC Roots 对象：
- 虚拟机栈中引用的本地对象
- 方法区中类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
而可达性算法，我们可以看一个非常好的示例。垃圾回收机制中，引用计数法是如何维护所有对象引用的
再谈引用
前面所说的两种都是跟引用有关系。在 JDK1.2 之前，引用的定义很狭隘，一个对象只有被引用和未被引用的两种状态。在 JDK1.2 之后，对引用的定义进行了扩充，我们希望：当内存空间还足够时候，则对象能够保留在内存中；如果内存空间在进行垃圾回收之后，内存空间还是非常紧张，则抛弃这些对象。适合于很多缓存功能的应用场景。分成四种强度递减的引用：
强引用：这种引用很常见，类似于 ：
A a = new A()// 强引用只要引用存在，就不会回收引用对象。如果显示的将对象置为 null 或者其超出对象的生命范围，则被回收。当内存空间不足，Java虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题
软引用：如果一个对象具有软引用，内存足够时，gc不会回收它；内存不足时，gc就会回收这个对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。
弱引用：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。
public class WeakRefrenceDemo { public static void main(String[] args) { String s = new String("hello");// 1 WeakReference<String> wrf = new WeakReference<String>(s); s = null;// 2 System.out.println(wrf.get());// 3 System.gc();// 4 System.runFinalization(); System.out.println(wrf.get());// 5 } }如上，我们逐行分析。在注释 1 处，我们不能自以为聪明的用：
String s = "hello"// 6来替代 1 中的语句，因为按照 6 中的做法，系统会采用常量池来管理这个字符串直接量，会采用强引用来引用它。同时在 1 处我们用 s 引用变量引用 “hello” 字符串对象，接下来创建一个弱引用对象来引用 s 引用的同一个对象。执行到 2 处时候，切断了 s 和引用对象的之间的联系。而我们不切断的话，会发生什么呢？自然 gc 机制无法发挥出实质性的作用，导致并没回收任何引用对象，故输出的还是字符串对象。
执行到 3 处时候，由于系统内存还足够，不会回收 wrf 对象，因此会输出 “hello” 对象。而后通知程序进行强制垃圾回收，自然弱引用对象 wrf 就会被系统回收了，此时输出的就为 null 了。
下面再看一个例子，弱引用在 Android 中的应用,我们希望在 Activity 中新建一个线程获取数据：
public class MainActivity extends Activity { //... private int page; private Handler handler = new Handler() { @Override public void handleMessage(Message msg) { if (msg.what == 1) { //... page++; } else { //... } }; }; @Override protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) { super.onCreate(savedInstanceState); setContentView(R.layout.activity_main); //... new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { //.. Message msg = Message.obtain(); msg.what = 1; //msg.obj = xx; handler.sendMessage(msg); } }).start(); //... } }Activity 具有自身的生命周期，Activity 中新开启的线程运行过程中，可能此时用户按下了Back键，或系统内存不足等希望回收此 Activity， 由于 Activity 中新起的线程并不会遵循 Activity 本身的什么周期，也就是说，当 Activity 执行了onDestroy,由于线程以及 Handler 的 HandleMessage 的存在， 使得系统本希望进行此Activity 内存回收不能实现，因为非静态内部类中隐性的持有对外部类的引用，导致可能存在的内存泄露问题。
因此，在 Activity 中使用 Handler 时，一方面需要将其定义为静态内部类形式，这样可以使其与外部类（Activity）解耦，不再持有外部类的引用， 同时由于 Handler 中的 handlerMessage 一般都会多少需要访问或修改 Activity 的属性，此时，需要在 Handler 内部定义指向此 Activity 的 WeakReference， 使其不会影响到 Activity 的内存回收同时，可以在正常情况下访问到 Activity 的属性。
google 官方推荐的一个示例写法如下：
public class MainActivity extends Activity { //... private int page; private MyHandler mMyHandler = new MyHandler(this); private static class MyHandler extends Handler { private WeakReference<MainActivity> wrActivity; public MyHandler(MainActivity activity) { this.wrActivity = new WeakReference<MainActivity>(activity); } @Override public void handleMessage(Message msg) { if (wrActivity.get() == null) { return; } MainActivity mActivity = wrActivity.get(); if (msg.what == 1) { //... mActivity.page++; } else { //... } } } @Override protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) { super.onCreate(savedInstanceState); setContentView(R.layout.activity_main); //... new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { //.. Message msg = Message.obtain(); msg.what = 1; //msg.obj = xx; mMyHandler.sendMessage(msg); } }).start(); //... } }
虚引用：是一种最弱的引用关系，其存在的必要就是在该虚引用对象被垃圾回收器回收时候，系统能够接收到一个通知。
生存还是死亡
当一个对象被创建之后，根据它是否被引用变量所引用的状态，可以将其所处状态分为如下三种：
- 可达状态：当一个变量被创建之后，有一个或者以上的变量引用它，其就处于可达状态。
- 可恢复状态：没有任何对象来引用它，就处于可恢复状态。这种状态下，系统的垃圾回收机制准备来回收该对象所占用的内存，在回收该对象之前，系统会调用所有可恢复对象的 finalize() 方法来进行资源的清理，如果系统在清理资源的同时，重新让一个引用变量引用该对象，则该对象会再次变为可达对象，反之则该对象进入不可达状态。
- 不可达状态：没用引用变量指向该对象，并且不能被恢复，则成为不可达状态。只有一个对象在不可达状态时候，垃圾回收器才会回收该对象。
然而即使某个对象被标记为不可达的情况下，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：如果对象在进行根搜索后发现没有与 GC Roots 相连接的引用链，那它会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize() 方法。当对象没有覆盖 finalize() 方法，或 finalize() 方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为没有必要执行。如果该对象被判定为有必要执行 finalize() 方法，那么这个对象将会被放置在一个名为 F-Queue 队列中，并在稍后由一条由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行finalize()方法。finalize() 方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会（因为一个对象的 finalize() 方法最多只会被系统自动调用一次），稍后 GC 将对 F-Queue 中的对象进行第二次小规模的标记，如果要 在 finalize() 方法中成功拯救自己，只要在 finalize() 方法中让该对象重引用链上的任何一个对象建立关联即可。而如果对象这时还没有关联到任何链上的引用，那它就会被回收掉。接下来，我们顺便看一下 finalize() 方法：
在垃圾回收机制回收某个对象之前，通常会调用 finalize() 方法来回收一些资源。在没有明确指定回收方法之前，调用默认的 finalize() 放法，只有在调用了该方法之后，垃圾回收机制才真正的开始执行。但是我们始终要注意该方法不一定会得到执行，故我们不要指望在该方法中去执行垃圾清理的工作。finalize() 方法具有以下特点：
- 不要主动调用某个对象的 finalize() 方法
- finalize() 方法是否被调用具有不确定性
- JVM 执行可恢复对象的 finalize() 方法时候，可能会是该方法重新变为可达状态
- JVM 执行 finalzie() 方法出现异常时，不会抛出异常
接下来，我们看一个对象自我拯救的示例：
public class FinalizeEscapeGC {
public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;
public void isAlive(){
System.out.println("yes i am still live");
}
// 留个心眼，这个方法每个对象只会被系统自动调用一次
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
super.finalize();
System.out.println("finalize method called");
FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;// 注释一
}
public static void main(String[] args) throws Throwable {
SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();
// 对象第一次自我拯救成功
SAVE_HOOK = null;
System.gc();
Thread.sleep(500);
if (SAVE_HOOK != null){
SAVE_HOOK.isAlive();
}else{
System.out.println("no,i am dead");
}
// 对象第二次拯救自己失败
SAVE_HOOK = null;
System.gc();
Thread.sleep(500);
if (SAVE_HOOK != null){
SAVE_HOOK.isAlive();
}else{
System.out.println("no,i am dead");
}
}
}
输出结果：
finalize method called // 标注 finalize 被调用
yes i am still live // 逃脱成功
no,i am dead // 逃脱失败
为什么会出现对象的复活？又为什么会出现同样的代码，而对象只会复活一次？首先解决第一个问题，对象复活的奥秘完全在注释一处，我们在 finalize() 方法中执行了这样一句：
FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;// 注释一
上面就将一个可恢复的对象变成了可达对象。而后面只能复活一次的原因是因为一个对象的 finalize() 方法只能被调用一次。
如何去回收垃圾
标记-清除算法
首先标记所有需要被清除的对象，然后进行回收，至于判定哪些对象该被回收，前面已经说过了。由于该算法是比较基础的算法，所以不可避免的带来两个问题：标记和清除效率不高的问题、空间碎片化的问题。
复制算法
复制算法是针对标记—清除算法的缺点，在其基础上进行改进而得到的，它讲可用内存按容量分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块，当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块内存上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。其缺点很明显，将可用内存缩小到了一半。复制算法有如下优点：
- 每次只对一块内存进行回收，运行高效。
- 只需移动栈顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单。
- 内存回收时不用考虑内存碎片的出现。
标记-整理算法
其标记过程仍然跟标记-清除算法一样。但是该算法不会直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一段移动，然后直接清理端边界以外的内存。
分代收集算法
当前用的比较多的垃圾收集算法都是分代收集。根据对象存活周期的不同，将内存分为几块。一般是将 Java 堆分为新生代和老生代，根据各个年代的特点采用合适的垃圾回收算法。在新生代中每次都有大批对象死去，只有少量存活，故而采用复制算法。只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高，没有额外空间对其进行分配担保，就必须使用标记-整理或者标记-清理算法来进行回收。
内存分配策略
对象优先在 Eden 分配
大多数情况下，对象优先在新生代 Eden 区中分配，当该区域没有足够空间时候，将发生一次 MinorGC。其中我们在复制算法中提到了：新生代 98% 对象是朝生夕死，所以没必要 1:1 分布内存空间，从而产生了一块较大的 Edge 和两块 Survivor 空间。
大对象直接进入老年代
长期存活的对象将进入老年代
虚拟机采用了分代会回收的思想来管理内存，故判断新老对象的标准就很重要。虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄，如果对象在 Eden 区 出身，并且经过第一个 Minor GC 之后仍然存活，并且能被 Survivor 区域容纳的话，将被移动到 Survivor 区域中，并将对象年龄设置为1.对象在 S 区域中每熬过一次 MInor GC，年龄就增加1.当年龄增加到一定 15岁时候，就会被存入到老年代。年龄阈值可以通过设置指定参数来确定。
动态对象年龄判定
空间分配担保
HotSpot算法的实现
如何快速枚举GC Roots？ GC Roots主要在全局性的引用（常量或类静态属性）与执行上下文（本地变量表中的引用）中，很多应用仅仅方法区就上百兆，如果进行遍历查找，效率会非常低下。
在HotSpot中，使用一组称为OopMap的数据结构进行实现。类加载完成时，HotSpot把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来存储到OopMap中，通过JIT编译出来的本地代码，也会记录下栈和寄存器中哪些位置是引用。GC发生时，通过扫描OopMap的数据就可以快速标识出存活的对象。
如何安全的GC？ 线程运行时，只有在到达安全点（Safe Point）才能停顿下来进行GC。
基于OopMap数据结构，HotSpot可以快速完成GC Roots的遍历，不过HotSpot并不会为每条指令都生成对应的OopMap，只会在Safe Point处记录这些信息。
所以Safe Point的选择很重要，如果太少可能导致GC等待的时间太长，如果太频繁可能导致运行时的性能问题。大部分指令的执行时间都非常短暂，通常会选择一些执行时间较长的指令作为Safe Point，如方法调用、循环跳转和异常跳转等。
关于Safe Point更多的信息，可以看看这篇文章 JVM的Stop The World，安全点，黑暗的地底世界
发生GC时，如何让所有线程跑到最近的Safe Point再暂停？ 当发生GC时，不直接对线程进行中断操作，而是简单的设置一个中断标志，每个线程运行到Safe Point的时候，主动去轮询这个中断标志，如果中断标志为真，则将自己进行中断挂起。
这里忽略了一个问题，当发生GC时，运行中的线程可以跑到Safe Point后进行挂起，而那些处于Sleep或Blocked状态的线程在此时无法响应JVM的中断请求，无法到Safe Point处进行挂起，针对这种情况，可以使用安全区域（Safe Region）进行解决。
Safe Region是指在一段代码片段中，对象的引用关系不会发生变化，在这个区域中的任何位置开始GC都是安全的。 1、当线程运行到Safe Region的代码时，首先标识已经进入了Safe Region，如果这段时间内发生GC，JVM会忽略标识为Safe Region状态的线程； 2、当线程即将离开Safe Region时，会检查JVM是否已经完成GC，如果完成了，则继续运行，否则线程必须等待直到收到可以安全离开Safe Region的信号为止；
垃圾回收期的特点与分类
Serial 收集器
串行回收器主要有两个特点： 第一，它仅仅使用单线程进行垃圾回收； 第二，它独占式的垃圾回收。
在串行回收器进行垃圾回收时，Java 应用程序中的线程都需要暂停，等待垃圾回收的完成，这样给用户体验造成较差效果。虽然如此，串行回收器却是一个成熟、经过长时间生产环境考验的极为高效的 回收器。新生代串行处理器使用复制算法，实现相对简单，逻辑处理特别高效，且没有线程切换的开销。在诸如单 CPU 处理器或者较小的应用内存等硬件平台不是特别优越的场合，它的性能表现可以超过并行回收器和并发回收器。在 HotSpot 虚拟机中，使用-XX：+UseSerialGC 参数可以指定使用新生代串行回收器和老年代串行回收器。当 JVM 在 Client 模式下运行时，它是默认的垃圾回收器。老年代串行回收器使用的是标记-压缩算法。和新生代串行回收器一样，它也是一个串行的、独占式的垃圾回收器。由于老年代垃圾回收通常会使用比新生代垃圾回 收更长的时间，因此，在堆空间较大的应用程序中，一旦老年代串行回收器启动，应用程序很可能会因此停顿几秒甚至更长时间。虽然如此，老年代串行回收器可以 和多种新生代回收器配合使用，同时它也可以作为 CMS 回收器的备用回收器。若要启用老年代串行回收器，可以尝试使用以下参数：-XX:+UseSerialGC: 新生代、老年代都使用串行回收器。
CMS特点： 获取最短的回收停顿时间为目标的垃圾收集器。基于“标记-清除”算法实现的，主要分为四个步骤： 1：初始标记 2：并发标记 3：重新标记 4：并发清除
缺点就是： 1：CMS收集器对CPU资源非常敏感 2：CMS无法处理浮动垃圾 3：由于其基于“标记-清除”，故很容易产生内存碎片
G1具备如下特点： 1：并行与并发：充分利用多核、多CPU来缩短STW的时间 2：分代收集： 3：空间整合：能够保证较少或者不出现内存碎片 4：可预测的停顿。
G1之前其他的垃圾收集器的回收范围是整个新生代或者老年代，而G1将整个Java堆划分成多哦独立的区域region。之所以能够有可预测的停顿是因为可以有计划的避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟随各个region里面的垃圾堆价值大小，在后台维护一个优先级列表，优先回收价值较大的region，故名思议得到Garbage-First。核心的思想还是一个化整为零的思想。
