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1. 为什么需要垃圾回收

　　如果不进行垃圾回收，内存迟早都会被消耗空，因为我们在不断的分配内存空间而不进行回收。除非内存无限大，我们可以任性的分配而不回收，但是事实并非如此。所以，垃圾回收是必须的。

2. 怎么定义垃圾

既然我们要做垃圾回收，首先我们得搞清楚垃圾的定义是什么，哪些内存是需要回收的。

引用计数算法

引用计数算法（Reachability Counting）是通过在对象头中分配一个空间来保存该对象被引用的次数（Reference Count）。如果该对象被其它对象引用，则它的引用计数加1，如果删除对该对象的引用，那么它的引用计数就减1，当该对象的引用计数为0时，那么该对象就会被回收。但是，Java中却没有使用这种算法，因为这种算法很难解决对象之间相互引用的情况。

可达性分析法

这个算法的基本思想是通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链（即GC Roots到对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。

那么问题又来了，如何选取GCRoots对象呢？在Java语言中，可以作为GCRoots的对象包括下面几种：

(1). 虚拟机栈（栈帧中的局部变量区，也叫做局部变量表）中引用的对象。

(2). 方法区中的类静态属性引用的对象。

(3). 方法区中常量引用的对象。

(4). 本地方法栈中JNI(Native方法)引用的对象。

下面给出一个GCRoots的例子，如下图，为GCRoots的引用链。

由图可知，obj8、obj9、obj10都没有到GCRoots对象的引用链，即便obj9和obj10之间有引用链，他们还是会被当成垃圾处理，可以进行回收。

四种引用状态

在JDK1.2之前，Java中引用的定义很传统：如果引用类型的数据中存储的数值代表的是另一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用。这种定义很纯粹，但是太过于狭隘，一个对象只有被引用或者没被引用两种状态。我们希望描述这样一类对象：当内存空间还足够时，则能保留在内存中；如果内存空间在进行垃圾收集后还是非常紧张，则可以抛弃这些对象。很多系统的缓存功能都符合这样的应用场景。在JDK1.2之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用4种，这4种引用强度依次减弱。

1、强引用

代码中普遍存在的类似"Object obj = new Object()"这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。

2、软引用

描述有些还有用但并非必需的对象。在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围进行二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。Java中的类SoftReference表示软引用。

3、弱引用

描述非必需对象。被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾回收之前，垃圾收集器工作之后，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。Java中的类WeakReference表示弱引用。

4、虚引用

这个引用存在的唯一目的就是在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知，被虚引用关联的对象，和其生存时间完全没关系。用来追踪对象回收。Java中的类PhantomReference表示虚引用。

对于可达性分析算法而言，未到达的对象并非是“非死不可”的，若要宣判一个对象死亡，至少需要经历两次标记阶段。

1. 如果对象在进行可达性分析后发现没有与GCRoots相连的引用链，则该对象被第一次标记并进行一次筛选，筛选条件为是否有必要执行该对象的finalize方法，若对象没有覆盖finalize方法或者该finalize方法是否已经被虚拟机执行过了，则均视作不必要执行该对象的finalize方法，即该对象将会被回收。反之，若对象覆盖了finalize方法并且该finalize方法并没有被执行过，那么，这个对象会被放置在一个叫F-Queue的队列中，之后会由虚拟机自动建立的、优先级低的Finalizer线程去执行，而虚拟机不必要等待该线程执行结束，即虚拟机只负责建立线程，其他的事情交给此线程去处理。

2.对F-Queue中对象进行第二次标记，如果对象在finalize方法中拯救了自己，即关联上了GCRoots引用链，如把this关键字赋值给其他变量，那么在第二次标记的时候该对象将从“即将回收”的集合中移除，如果对象还是没有拯救自己，那就会被回收。如下代码演示了一个对象如何在finalize方法中拯救了自己，然而，它只能拯救自己一次，第二次就被回收了。具体代码如下：

package com.demo;/* * 此代码演示了两点： * 1.对象可以再被GC时自我拯救 * 2.这种自救的机会只有一次，因为一个对象的finalize()方法最多只会被系统自动调用一次 * */public class FinalizeEscapeGC {        public String name;    public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;    public FinalizeEscapeGC(String name) {        this.name = name;    }    public void isAlive() {        System.out.println("yes, i am still alive :)");    }        @Override    protected void finalize() throws Throwable {        super.finalize();        System.out.println("finalize method executed!");        System.out.println(this);        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;    }    @Override    public String toString() {        return name;    }    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC("leesf");        System.out.println(SAVE_HOOK);        // 对象第一次拯救自己        SAVE_HOOK = null;        System.out.println(SAVE_HOOK);        System.gc();        // 因为finalize方法优先级很低，所以暂停0.5秒以等待它        Thread.sleep(500);        if (SAVE_HOOK != null) {            SAVE_HOOK.isAlive();        } else {            System.out.println("no, i am dead : (");        }        // 下面这段代码与上面的完全相同,但是这一次自救却失败了        // 一个对象的finalize方法只会被调用一次        SAVE_HOOK = null;        System.gc();        // 因为finalize方法优先级很低，所以暂停0.5秒以等待它        Thread.sleep(500);        if (SAVE_HOOK != null) {            SAVE_HOOK.isAlive();        } else {            System.out.println("no, i am dead : (");        }    }}

运行结果如下：

leesfnullfinalize method executed!leesfyes, i am still alive :)no, i am dead : (

　 由结果可知，该对象拯救了自己一次，第二次没有拯救成功，因为对象的finalize方法最多被虚拟机调用一次。此外，从结果我们可以得知，一个堆对象的this（放在局部变量表中的第一项）引用会永远存在，在方法体内可以将this引用赋值给其他变量，这样堆中对象就可以被其他变量所引用，即不会被回收。

3. 方法区的垃圾回收

方法区的垃圾回收主要回收两部分内容：1. 废弃常量。2. 无用的类。既然进行垃圾回收，就需要判断哪些是废弃常量，哪些是无用的类。

如何判断废弃常量呢？以字面量回收为例，如果一个字符串“abc”已经进入常量池，但是当前系统没有任何一个String对象引用了叫做“abc”的字面量，那么，如果发生垃圾回收并且有必要时，“abc”就会被系统移出常量池。常量池中的其他类（接口）、方法、字段的符号引用也与此类似。

如何判断无用的类呢？需要满足以下三个条件

1. 该类的所有实例都已经被回收，即Java堆中不存在该类的任何实例。

2. 加载该类的ClassLoader已经被回收。

3. 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

满足以上三个条件的类可以进行垃圾回收，但是并不是无用就被回收，虚拟机提供了一些参数供我们配置。

4. 垃圾收集算法

一共有 4 种：

1. 标记-清除算法
2. 复制算法
3. 标记整理算法
4. 分代收集算法

 

1、标记-清除（Mark-Sweep）算法

     这是最基础的算法，标记-清除算法就如同它的名字样，分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，标记完成后统一回收所有被标记的对象。这种算法的不足主要体现在效率和空间，从效率的角度讲，标记和清除两个过程的效率都不高；从空间的角度讲，标记清除后会产生大量不连续的内存碎片， 内存碎片太多可能会导致以后程序运行过程中在需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发一次垃圾收集动作。标记-清除算法执行过程如图：

2、复制（Copying）算法

      复制算法是为了解决效率问题而出现的，它将可用的内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已经使用过的内存空间一次性清理掉。这样每次只需要对整个半区进行内存回收，内存分配时也不需要考虑内存碎片等复杂情况，只需要移动指针，按照顺序分配即可。复制算法的执行过程如图：

     不过这种算法有个缺点，内存缩小为了原来的一半，这样代价太高了。现在的商用虚拟机都采用这种算法来回收新生代，不过研究表明1:1的比例非常不科学，因此新生代的内存被划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor。每次回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性复制到另外一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden区和Survivor区的比例为8:1，意思是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%。当然，我们没有办法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活，当Survivor空间不够用时，需要依赖老年代进行分配担保（Handle Promotion）。

3、标记-整理（Mark-Compact）算法

    复制算法在对象存活率较高的场景下要进行大量的复制操作，效率很低。万一对象100%存活，那么需要有额外的空间进行分配担保。老年代都是不易被回收的对象，对象存活率高，因此一般不能直接选用复制算法。根据老年代的特点，有人提出了另外一种标记-整理算法，过程与标记-清除算法一样，不过不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活对象都向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。标记-整理算法的工作过程如图：

4、分代收集算法

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法，根据对象存活周期的不同将内存划分为几块并采用不用的垃圾收集算法。

一般是把 Java 堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，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、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记—清理”或者“标记—整理”算法来进行回收

5.触发主GC(Garbage Collector)的条件

　　JVM进行次GC的频率很高,但因为这种GC占用时间极短,所以对系统产生的影响不大。更值得关注的是主GC的触发条件,因为它对系统影响很明显。总的来说,有两个条件会触发主GC:

　　①当应用程序空闲时,即没有应用线程在运行时,GC会被调用。因为GC在优先级最低的线程中进行,所以当应用忙时,GC线程就不会被调用,但以下条件除外。

　　②Java堆内存不足时,GC会被调用。当应用线程在运行,并在运行过程中创建新对象,若这时内存空间不足,JVM就会强制地调用GC线程,以便回收内存用于新的分配。若GC一次之后仍不能满足内存分配的要求,JVM会再进行两次GC作进一步的尝试,若仍无法满足要求,则 JVM将报“out of memory”的错误,Java应用将停止。

　　由于是否进行主GC由JVM根据系统环境决定,而系统环境在不断的变化当中,所以主GC的运行具有不确定性,无法预计它何时必然出现,但可以确定的是对一个长期运行的应用来说,其主GC是反复进行的。

6. GC日志

阅读 GC 日志是处理 Java 虚拟机内存问题的基础技能，它只是一些人为确定的规则，没有太多技术含量。

每一种收集器的日志形式都是由它们自身的实现所决定的，换而言之，每个收集器的日志格式都可以不一样。但虚拟机设计者为了方便用户阅读，将各个收集器的日志都维持一定的共性，例如以下两段典型的 GC 日志：

33.125:[GC[DefNew:3324K-＞152K（3712K），0.0025925 secs]3324K-＞152K（11904K），0.0031680 secs]100.667:[Full GC[Tenured:0 K-＞210K（10240K），0.0149142secs]4603K-＞210K（19456K），[Perm:2999K-＞2999K（21248K）]，0.0150007 secs][Times:user=0.01 sys=0.00，real=0.02 secs]

最前面的数字33.125： 和 100.667： 代表了 GC 发生的时间，这个数字的含义是从 Java 虚拟机启动以来经过的秒数。

GC 日志开头的 [GC 和 [Full GC 说明了这次垃圾收集的停顿类型，而不是用来区分新生代 GC 还是老年代 GC 的。

如果有 Full ，说明这次 GC 是发生了 Stop-The-World 的，例如下面这段新生代收集器 ParNew 的日志也会出现 [Full GC（这一般是因为出现了分配担保失败之类的问题，所以才导致 STW）。如果是调用 System.gc() 方法所触发的收集，那么在这里将显示 [Full GC（System）。

[Full GC 283.736:[ParNew:261599K-＞261599K（261952K），0.0000288 secs]

接下来的 [DefNew、[Tenured、[Perm 表示 GC 发生的区域，这里显示的区域名称与使用的 GC 收集器是密切相关的，例如上面样例所使用的 Serial 收集器中的新生代名为 "Default New Generation"，所以显示的是 [DefNew。如果是 ParNew 收集器，新生代名称就会变为 [ParNew，意为 "Parallel New Generation"。如果采用 Parallel Scavenge 收集器，那它配套的新生代称为 PSYoungGen，老年代和永久代同理，名称也是由收集器决定的。

后面方括号内部的 3324K-＞152K（3712K）含义是GC 前该内存区域已使用容量 -＞ GC 后该内存区域已使用容量 （该内存区域总容量）。而在方括号之外的 3324K-＞152K（11904K） 表示 GC 前 Java 堆已使用容量 -＞ GC 后 Java 堆已使用容量 （Java 堆总容量）。

再往后，0.0025925 secs 表示该内存区域 GC 所占用的时间，单位是秒。有的收集器会给出更具体的时间数据，如 [Times:user=0.01 sys=0.00，real=0.02 secs] ，这里面的 user、sys 和 real 与 Linux 的 time 命令所输出的时间含义一致，分别代表用户态消耗的 CPU 时间、内核态消耗的 CPU 事件和操作从开始到结束所经过的墙钟时间（Wall Clock Time）。

CPU 时间与墙钟时间的区别是，墙钟时间包括各种非运算的等待耗时，例如等待磁盘 I/O、等待线程阻塞，而 CPU 时间不包括这些耗时，但当系统有多 CPU 或者多核的话，多线程操作会叠加这些 CPU 时间，所以读者看到 user 或 sys 时间超过 real 时间是完全正常的。

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