JVM GC

虽然内存分配和GC都已经“自动化”了，但内存回收和GC在很多时候都是影响系统性能、并发能力的主要因素之一，并且当我们需要排查各种内存溢出和内存泄露时，你就需要深入底层去了解JVM GC的原理了，以实施对它的监控和调节。本次主要讲解JVM GC的相关内容。

理解JVM GC的方式只需要知道三个问题就行了：

• 那些内存需要回收？
• 怎么回收？
• 什么时候回收？

1 哪些内存需要回收？

先回忆一下Java内存区域的划分，共有：虚拟机栈（VM Stack）、本地方法栈（Native Method Stack）、程序计数器（Program Counter Register）、Java堆（Heap）、方法区（Method Area）。

我们知道虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器①所占用的内存基本上在类结构确定下来的时候就明确了，②且都是线程私有的，生命周期与线程相同。所以它们的内存分配和内存回收都是确定的，不需要我们过多的去考虑。

而Java堆、方法区则不一样，他们通常只有在程序处于运行期间才能知道到底要创建哪些对象，所以对他们的内存分配和内存回收都是动态的，所以GC主要关注的就是这两个区域。

2 如何回收？

2.1 “判决”

“判决”的目的自然是：确定哪些对象“活着”、哪些对象“死了”。

过去会采用引用计数算法（给对象添加一个引用计数器，每被引用一次就+1；引用失效则-1。当引用为0时，说明对象“死了”，则GC进行回收），但它却解决不了对象间相互循环引用的问题，而容易导致内存泄露。所以很少使用了。

现在主流的算法是——可达性分析算法，思想非常简单：①我们可以将对象看做“节点”，将对象间的引用看做“路径”，那么我们便可以依次画出连通图（图论）；②紧接着只要我们找到了一系列必然存活着的“节点”作为根节点（GC Root），再向下进行搜索，就能够将可达和不可达的节点区分出来；这样就解决了对象间相互循环引用的问题，由此我们就确定出来了哪些对象“活着”，哪些对象“死了”（并不一定会马上被回收掉，进行”缓刑“）。

那么哪些对象可作为GC Root呢？

• 虚拟机栈中引用的对象
• 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（即一般说的Native方法）引用的对象

2.2 ”缓刑“

在可达性分析算法中被确定不可达的对象并不会马上就被回收掉，而是先执行“缓刑”，即它们还需经过至少两次标记才会被GC回收掉。

大致流程：确定没有与GC Root相连的引用链时，此对象会执行第一次标记；筛选此对象是否需要执行finalize()方法；如果是，则进入F-Quene队列，等待执行finalize()方法；否则，执行第二次标记，被回收。执行finalize()方法时，如果此对象重新与引用链上的对象建立起关联，则将其移除“即将回收”集合，存活；否则回收。

**注：**如果对象已执行过一次finalize()方法，并成功“逃脱”回收，那么第二次再执行“缓刑”的时候，则不会再执行finalize()方法了。即在这个过程中每个对象只有一次执行finalize()方法的机会。

附上流程图，以方便理解：

2.3 常见垃圾收集算法

说道算法了，可能好些同学又有些害怕了，其实完全没有必要，因为垃圾收集算法的思想都比较简单，很容易理解！（如果你学过操作系统这门课的话，这对你来说一定是小菜一碟）

2.3.1 标记-清除算法（Mark-Sweep）

顾名思义，分为两个阶段：标记、清除。先标记出来需要回收的内存对象，再进行统一回收。

（用excel画图，颜色选了好长一阵…）

作为最基础的收集算法，自然是跑不了有很明显的缺点了：

• 效率问题：标记和清除两个过程效率都不高。
• 空间问题：清除之后，会产大量不连续的碎片，下次要是来个大一点的对象不方便分配内存空间。

2.3.2 复制算法（Copying）

复制算法是为了解决标记-清除算法中的效率、空间问题出现了。它将内存空间分为大小相等的A、B两块，每次只使用其中的一块，当A块内存用完后，就将还存活的对象复制到B块，然后把A块已使用的内存空间一次清理掉。

这样便完美的解决了标记-清除算法中的效率和空间问题。但最大的缺陷是，内存空间缩小成了以前的一半大小…

2.3.3 标记-整理算法（Mark-Compact）

针对复制收集算法中存活率较高，复制次数增多导致效率降低的问题，提出了标记-整理算法。

与标记-清除算法类似，同样先标记出可回收的对象，但后续是将所有存活的对象向一端移动，然后清理掉端边界以外的内存空间。

2.3.4 分代收集算法（Generational Collection）

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集“算法，主要是根据对象存活的周期，将Java堆划分为新生代与老年代，再以它们各自的特点采用最适用的算法。算法同上，并没有任何实质改变。

生存周期	特征	采用算法
新生代	对象存活率低	复制算法
老年代	对象存活率高	标记-清理算法、标记-整理算法

其中对新生代的复制算法有所优化，不再按照1:1的比例来划分内存空间，而是采用Eden（伊甸）区和两个Survivor区，内存空间大小比例为8:1:1的方式来划分。如下图：

①内存分配时，每次使用Eden和其中一块Survivor区；

②当回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象，复制到另一块Survivor区中去。当另一块Survivor区域空间不足时，将会分配到老年代中去；

③清理掉Eden和刚才使用过的Survivor区。

3 什么时候回收？

把这个问题放在最后的原因是，弄清楚如何回收是前提。

GC分为Minor GC与Full GC，只要清楚了它们的触发条件，也就清楚了什么时候进行GC了！

• Minor GC：
  • 当Eden区中没有足够空间时。
• Full GC：Full GC一般都会有一次Minor GC
  • 调用System.gc时，不一定执行；
  • 老年代空间不足；
  • 方法区空间不足；
  • 通过Minor GC后进入老年代的平均大小 > 老年代的可用内存。
  • 由Eden区、From Space区向To Space区复制时，对象大小 > To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存 < 该对象大小。

(以上内容均整理自《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践 第二版》）