06-垃圾回收理论

        本节为JVM垃圾收集的基础理论，一个GC过程在逻辑上须要通过两个步骤，即先判断哪些对象是存活的、哪些对象是死亡的，而后对死亡的对象进行回收。

1、关于回收目标

        在前面咱们已经了解到，JVM的内存模型划分为多个区域，因为不一样区域的实现机制以及功能不一样，那么各自的回收目标也不一样。通常来讲，内存回收主要涉及如下三个区域：

• 虚拟机栈/本地方法栈：顾名思义，该部份内存以栈的形式做为实现，那么在进栈、出栈的时候内存会自动释放，相似于C的“自动变量区域内存”；
• 堆：内存回收主要目标，能够认为相似于C中的“动态内存分配区域”，只不过C经过malloc与free函数手动进行管理，而java经过GC进行自动管理；
• 方法区：该区域回收效果很弱，虚拟机规范强制要求在这里进行回收。回收目标是常量池的回收和对类型的卸载；

 

2、方法区回收

        方法区的回收目标是回收常量池中的废弃常量与类卸载。

2.1.常量回收

        若常量池中的某常量没有任何地方引用或者使用，包括该常量不以字面量的形式被使用或引用，则能够被回收。

2.2.类卸载

        知足如下条件的类能够被卸载：

• 该类全部实例已被回收；
• 该类的ClassLoader已被回收；
• 该类的类型信息，即java.lang.Class没有任何地方引用（通常为反射使用）；

        能够看出，对于类的卸载，要求很苛刻。所以在大量使用反射、动态代理、CGLib等字节码框架、动态生成jsp以及OSGI这类频繁自定义ClassLoader功能的场景中，都要求JVM具有类卸载功能，以保证永久带不溢出。

 

3、堆回收

3.1.对象存活断定

        关于堆中的对象存活断定，以标记为基础，并配合其余步骤完成。

3.1.1.标记算法

（1）引用计数法

        即给对象添加一个引用计数器，每有一个地方进行引用，则计数器加1。当计数器为0的时候，表示该对象可回收。

        引用计数法未被JVM采用，缘由是其没法解决对象间循环引用的问题，以下图所示，当堆内的两个对象循环引用，就算他们已经没用了，也没法进行回收：

 

（2）可达性分析算法

        该算法的思想是将一系列被称为“GC ROOTS”的对象做为起点（或称根节点），向下搜索，所走过的路径称为“引用链（reference chain）”。若一个对象没有能够到达GC ROOTS的路径，则称“该对象不可达”。对于不可达对象，会被标记为回收状态。

        上图中，顺着GC ROOTS，Obj一、Obj二、Obj3和Obj4都是能够到达的，所以他们为存活对象；而Obj5不可到达，Obj六、Obj7即便存在指向它们的引用，但因没法到达GC ROOTS，所以为须要回收的对象。

   在可达性分析算法中，最重要的就是GC ROOTS。其本质是对象，但并不是全部对象都有资格做为GC ROOTS，只有如下位置的才能够：

• 栈上引用：虚拟机栈的栈帧中本地变量表内引用的对象；
• 栈上引用：本地方法栈中JNI引用的对象；
• 方法区：类静态属性引用的对象；
• 方法区：类常量引用的对象；

3.1.2.死亡断定

        对象在通过标记以后，并不会立刻被回收，还要通过如下一系列阶段才最终肯定须要被回收：

• 一次标记：即经过标记算法将对象标记为待回收状态，并进入一个待回收对象集合；
• 筛选：对一次标记以后的待回收对象进行过滤，若是该对象覆盖了finalize方法，而且该方法未执行过，则将该对象放入F-QUEUE；反之，对象没有覆盖finalize方法或者finalize方法已经被执行过了，该对象不会进行任何处理；
• F-QUEUE：一个队列，JVM会经过一个Finalizer线程去执行这个队列中对象的finalize方法，而且只保证该方法的执行，不保证该方法成功执行完成。由于若finalize方法有死循环，会形成FQUEUE后续未被执行对象的持续等待，致使整个内存回收系统崩溃。根据这个特色，对象能够在执行finalize方法时进行“自救”，所谓的自救，就是将对象从新与GC ROOTS相关联；
• 二次标记：GC会对FQUEUE中的对象进行额外的一次标记，若对象“自救”成功，则会从待回收对象集合中移除；若对象“自救”失败，它仍然会处于待回收对象集合中，等待真正被回收；
• 回收：对象经过垃圾收集进行回收，释放内存空间；

3.2.垃圾收集算法

        在上一小节咱们讲了对象标记相关的算法，本小节来了解一下垃圾收集算法。

3.2.1.标记-清除算法

        标记-清除（mark-sweep）算法，是最基础的垃圾收集算法，它的思想比较简单，就是在“对象存活断定”标记出须要回收的对象后，统一回收（清除）这些对象的内存。

        该算法简单有效，可是存在两个不足：首先是效率问题，标记和清除两个阶段的效率都不高，所谓效率不高，并不是指的是自身的执行效率，而是指回收结果与耗时的效益比不高；其次是空间问题，标记-清除算法并未整理内存，会产生大量不连续的内存碎片，要分配较大对象时，可能没法找到足够的连续内存而不得不又触发一次GC。

3.2.2.复制算法

        复制算法（copying）是对标记-清除算法的改进，其主要思想是将内存划分为不一样的区域，包括“内存使用区”和“结果缓冲区”。每次只使用一部份内存，在该部份内存满了以后，将仍然存活的对象复制到另一块区域上面，而后将以前使用过的内存区域所有清理掉， 现代商业虚拟机都采用其回收新生代。

        该算法大大提升了回收效率，也能够避免内存碎片。然而带来了新的问题：因为须要开辟一块内存空间做为每次回收结果的缓冲，所以可用内存没法达到100%，“结果缓冲区”的大小决定了内存有效的比率。

        如何设置结果缓冲区的内存大小（比例）？将其设置为50%最能确保每次回收都有足够大小的缓冲区域存放回收结果，毕竟最差的状况就是全部对象都存活，然而内存浪费也过高了。根据IBM的研究，通常状况下，新生代中的对象98%都是“朝生夕死”的，也就是说，每次存活对象的比例并不会过高，咱们只须要设置一小块内存做为“回收结果缓冲”便可，他们提出的解决模型以下，将内存划分为eden与2块suvivor：

• eden：主存储区，新对象的建立都在这块区域；
• survivor：分为两块，一块做为上次回收结果的“缓存”，一块做为下一次回收的“缓存”区域；

        基于这种模型，每次回收时，将eden和上次回收结果的survivor中存活的对象复制进空闲的survivor，而后清理掉被回收的区域便可，简单的示意流程图见下：

        值得注意的是，对于eden-survivor模型，98%的对象可回收只是理想理论，在某些场景下，回收时存活对象的大小有可能大于空闲survivor。对于这种survivor空间大小不够用的状况，须要经过“分配担保”机制来保证对象能正确留存。所谓的分配担保，就是不够空间survivor存放的对象进入老年代。

3.2.3.标记-整理算法

        在上一小节咱们知道复制算法主要适合于新生代的回收，对于老年代这种对象存活率高的区域，由于每次都会复制大量对象，成本收益比较低，使用复制算法明显不合适；相反，标记-清除算法更适合老年代的特征，为了解决标记-清除算法的内存碎片问题，在此基础上，优化为标记-整理算法（mark-compact）。

        标记-整理算法主要思想是在标记对象后，将存活对象向内存的一端移动，而后清理掉端边界之外的内存，所谓的整理也能够理解为压缩。

3.2.4.总结

        没有哪种垃圾收集算法可以适用于全部状况，对于不一样的堆内存区域（新生代、老年代），须要根据实际的对象特征，选择合适的算法。

算法	优势	缺点	适用区域
复制	效率较高，无内存碎片问题	1.内存利用率达不到100%；2.须要分配担保机制确保对象存活率较高时的内存分配；	新生代（对象存活率低，复制成本低）
标记-清除	简单有效	1.效率不高；2.有内存碎片问题；	老年代（对象存活率高，无额外空间进行分配担保）
标记-整理	标记-清除的改良，解决了内存碎片问题	1.一样存在效率问题；2.整理过程须要额外的时间开销；