Java 垃圾回收机制

本文主要围绕如下几个问题展开：

1. 什么是堆内存
2. 垃圾定义
3. 回收的方案
4. 分代回收垃圾机制

概述

垃圾回收机制，Java很是重要的特性之一，它让开发者无需关注空间的建立和释放，而是以守护进程的形式在后台自动回收垃圾。

堆内存

堆，是在JVM启动时建立的，属于JVM运行时数据区的重要组成部分，主要用来维护运行时数据，如运行过程当中建立的实例对象和数据。若是动态建立的对象没有获得及时回收，持续堆积，最后会致使堆空间被占满，形成内存溢出。

Java提供的垃圾回收机制，在后台建立一个守护进程。在内存紧张时自动执行垃圾回收，从而保证程序的正常运行。

垃圾定义

所谓“垃圾”，指全部再也不存活的对象。

垃圾判断

常见判断对象是否存活的两种方法：

• 引用计数法 为每个对象建立一个引用计数器，用来存储该对象被引用的个数。当计数为0时，意味着该对象再也不被使用，能够认为**“对象死亡”**。可是该方案存在严重的问题：没法检测“循环引用”，当两个对象相互引用时，即便他俩不被其余对象引用时，他俩的计数都不会为0，所以永远不会被回收。

实际上，Java里没有采用这样的方案来断定对象的“存活性”。

• 可达性分析 目前主流的开发语言都采用对象存活性判断方案，基本思路是：把全部引用的对象想象成一颗树，从树的根节点（GC Roots）出发，持续遍历找出全部链接的树枝对象（包含叶子节点），这些对象成为“存活对象”或“可达对象”。其他的对象被成为“死亡对象”或“不可达对象”，亦或者“垃圾”。

参考下图，object五、object六、object7为不可达对象，视为“垃圾”，会被垃圾回收器回收

GC Roots

GC Roots自己必定是可达的，从他们出发遍历到的对象才能保证必定可达。 Java里存在如下四种必定可达对象：

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
• 方法区中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

垃圾回收方案

备注：下述图中，黑色表明垃圾对象，灰色表明存活对象，绿色表明空白空间。

标记-清理

第一步，标记，利用可达性遍历堆内存时，把存活对象和垃圾对象进行标记（以下图所示）

第二步，清理，把标记为垃圾对象进行清空，释放所占空间

总结，该方案简单方便，但容易产生内存碎片。

标记-整理

基于标记-清理方案，在清理时将全部存活的对象集中到一块儿，造成一个连续使用的内存空间，以下图所示：

总结，标记-清理、标记-整理两种方案，适合存活对象多、垃圾少的状况，只须要清理较少的垃圾，挪动一下存活对象就能够了。

复制

这种比较粗暴，将堆内存一分为二成两部分，一段时间内只容许在其中一块内存上进行分配，当该内存块被分配完后，则执行垃圾回收：把全部存活对象复制到另外一块内存里，而后直接清空当前内存。

总结，这种作法不易产生碎片，简单粗暴；可是，它只容许一段时间内只能使用一部份内存，超过这部份内存的话就有频繁的复制清空。这种方案适合存活对象少、垃圾多的状况，在复制只需移动少许的存活对象。

分代回收机制

上述讲到三种内存回收方案，那Java中是如何选择利用这三种回收算法呢？

堆结构

Java 堆空间（Heap）分红三部分，这三部分存储三类数据：

• 新建立的对象，新生代区域，特色：存活对象少、垃圾多（复制）
• 存活了一段时间的对象，老年代区域，特色：存活对象多、垃圾少（标记-整理）
• 永久存在的对象，永久代区域，特色：永远存活，不须要垃圾回收（Java8中已经删除了永久代，使用了元空间Meta Space）

总结，常规的Java堆至少包括了新生代和老年代两块内存区域：

• 新生代：存活对象少、垃圾多
• 老年代：存活对象多、垃圾少

新生代：复制回收机制

对于新生代区域，因为每次GC都会有大量新对象死去，存活的较少。所以采用复制回收机制，GC时只把少数存活的对象复制过去便可。

复制算法设计：

1. 内存1:1 每次只使用一半的内存，当这一半满了后，就进行垃圾回收，把存活的对象直接复制到另外一半内存，并清空当前这一半的内存。

缺陷：至关于只有一半的内存可用，对于新生代而言，新对象会频繁地进行建立，若是只有一半的可用内存，会持续 不断地进行垃圾回收工做，影响了程序的正常运行。

2. 内存9:1

最开始使用9的内存，当9快满时执行复制回收机制，把9中存活的对象复制到1区，并清空9区。

缺陷：因为内存空间比例相差较大，当把9区存活的对象复制到1区时，颇有可能1区放不下，此时不得不把对象移到老年区。这就意味着，可能会有一部分并不老的9区对象因为1区放不下而被放到老年区，破坏了老年区的规则。

3. 内存8:1:1（Eden:SurviorA：SurvivorB）

工做原理：

• Eden区最大，对外提供堆内存。当Eden区快满时，进行Minor GC，把存活对象放入Survivor A区，清空Eden区；
• Eden区被清空后，继续对外提供堆内存
• 当Eden区被填满时，对Eden和Survivor A同时进行Minor GC，把存活的对象复制到Survivor B，同时清空Eden、Survivor A
• Eden继续对外提供堆内存，并重复上一步工做
• 当某个Survivor被填满，且仍有对象未被复制完毕时，或者某些对象在反复Survive 15次左右时，则把这部分剩余对象放到Old区（老年代）
• 当Old区也被填满时，进行Major GC，对Old区进行垃圾回收

老年代：标记整理回收机制

老年代通常存放存活时间较久的对象，因此每次GC时，存活对象多，每次只要少数对象被回收。所以，根据不一样回收机制的特色，这里选择标记整理回收机制，仅仅经过少许地移动对象就能清理垃圾，并且不存在内存碎片。