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之前上學(xué)的時(shí)候有這個(gè)一個(gè)梗，說在食堂里吃飯，吃完把餐盤端走清理的，是 C++ 程序員，吃完直接就走的，是 Java 程序員。????
確實(shí)，在 Java 的世界里，似乎我們不用對(duì)垃圾回收那么的專注，很多初學(xué)者不懂 GC，也依然能寫出一個(gè)能用甚至還不錯(cuò)的程序或系統(tǒng)。但其實(shí)這并不代表 Java 的 GC 就不重要。相反，它是那么的重要和復(fù)雜，以至于出了問題，那些初學(xué)者除了打開 GC 日志，看著一堆0101的天文，啥也做不了。????
今天我們就從頭到尾完整地聊一聊 Java 的垃圾回收。
什么是垃圾回收
垃圾回收（Garbage Collection，GC），顧名思義就是釋放垃圾占用的空間，防止內(nèi)存泄露。有效的使用可以使用的內(nèi)存，對(duì)內(nèi)存堆中已經(jīng)死亡的或者長時(shí)間沒有使用的對(duì)象進(jìn)行清除和回收。
Java 語言出來之前，大家都在拼命的寫 C 或者 C++ 的程序，而此時(shí)存在一個(gè)很大的矛盾，C++ 等語言創(chuàng)建對(duì)象要不斷的去開辟空間，不用的時(shí)候又需要不斷的去釋放控件，既要寫構(gòu)造函數(shù)，又要寫析構(gòu)函數(shù)，很多時(shí)候都在重復(fù)的 allocated，然后不停的析構(gòu)。于是，有人就提出，能不能寫一段程序?qū)崿F(xiàn)這塊功能，每次創(chuàng)建，釋放控件的時(shí)候復(fù)用這段代碼，而無需重復(fù)的書寫呢？
1960年，基于 MIT 的 Lisp 首先提出了垃圾回收的概念，而這時(shí) Java 還沒有出世呢！所以實(shí)際上 GC 并不是Java的專利，GC 的歷史遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 Java 的歷史！
怎么定義垃圾
既然我們要做垃圾回收，首先我們得搞清楚垃圾的定義是什么，哪些內(nèi)存是需要回收的。
引用計(jì)數(shù)算法引用計(jì)數(shù)算法（Reachability Counting）是通過在對(duì)象頭中分配一個(gè)空間來保存該對(duì)象被引用的次數(shù)（Reference Count）。如果該對(duì)象被其它對(duì)象引用，則它的引用計(jì)數(shù)加1，如果刪除對(duì)該對(duì)象的引用，那么它的引用計(jì)數(shù)就減1，當(dāng)該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)為0時(shí)，那么該對(duì)象就會(huì)被回收。
重慶分公司
重慶分公司
String m = new String("jack");先創(chuàng)建一個(gè)字符串，這時(shí)候"jack"有一個(gè)引用，就是 m。
然后將 m 設(shè)置為 null，這時(shí)候"jack"的引用次數(shù)就等于0了，在引用計(jì)數(shù)算法中，意味著這塊內(nèi)容就需要被回收了。
m = null;
引用計(jì)數(shù)算法是將垃圾回收分?jǐn)偟秸麄€(gè)應(yīng)用程序的運(yùn)行當(dāng)中了，而不是在進(jìn)行垃圾收集時(shí)，要掛起整個(gè)應(yīng)用的運(yùn)行，直到對(duì)堆中所有對(duì)象的處理都結(jié)束。因此，采用引用計(jì)數(shù)的垃圾收集不屬于嚴(yán)格意義上的"Stop-The-World"的垃圾收集機(jī)制。
看似很美好，但我們知道JVM的垃圾回收就是"Stop-The-World"的，那是什么原因?qū)е挛覀冏罱K放棄了引用計(jì)數(shù)算法呢？看下面的例子。
public class ReferenceCountingGC {
public Object instance;
public ReferenceCountingGC(String name){}
}
public static void testGC(){
ReferenceCountingGC a = new ReferenceCountingGC("objA");
ReferenceCountingGC b = new ReferenceCountingGC("objB");
a.instance = b;
b.instance = a;
a = null;
b = null;
}1. 定義2個(gè)對(duì)象
2. 相互引用
3. 置空各自的聲明引用
我們可以看到，最后這2個(gè)對(duì)象已經(jīng)不可能再被訪問了，但由于他們相互引用著對(duì)方，導(dǎo)致它們的引用計(jì)數(shù)永遠(yuǎn)都不會(huì)為0，通過引用計(jì)數(shù)算法，也就永遠(yuǎn)無法通知GC收集器回收它們。
可達(dá)性分析算法
可達(dá)性分析算法（Reachability Analysis）的基本思路是，通過一些被稱為引用鏈（GC Roots）的對(duì)象作為起點(diǎn)，從這些節(jié)點(diǎn)開始向下搜索，搜索走過的路徑被稱為（Reference Chain)，當(dāng)一個(gè)對(duì)象到 GC Roots 沒有任何引用鏈相連時(shí)（即從 GC Roots 節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)不可達(dá)），則證明該對(duì)象是不可用的。
通過可達(dá)性算法，成功解決了引用計(jì)數(shù)所無法解決的問題-“循環(huán)依賴”，只要你無法與 GC Root 建立直接或間接的連接，系統(tǒng)就會(huì)判定你為可回收對(duì)象。那這樣就引申出了另一個(gè)問題，哪些屬于 GC Root。
Java 內(nèi)存區(qū)域
在 Java 語言中，可作為 GC Root 的對(duì)象包括以下4種：
虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對(duì)象
方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對(duì)象
方法區(qū)中常量引用的對(duì)象
本地方法棧中 JNI（即一般說的 Native 方法）引用的對(duì)象
虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對(duì)象
此時(shí)的 s，即為 GC Root，當(dāng)s置空時(shí)，localParameter 對(duì)象也斷掉了與 GC Root 的引用鏈，將被回收。
public class StackLocalParameter {
public StackLocalParameter(String name){}
}
public static void testGC(){
StackLocalParameter s = new StackLocalParameter("localParameter");
s = null;
}方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對(duì)象
s 為 GC Root，s 置為 null，經(jīng)過 GC 后，s 所指向的 properties 對(duì)象由于無法與 GC Root 建立關(guān)系被回收。
而 m 作為類的靜態(tài)屬性，也屬于 GC Root，parameter 對(duì)象依然與 GC root 建立著連接，所以此時(shí) parameter 對(duì)象并不會(huì)被回收。
public class MethodAreaStaicProperties {
public static MethodAreaStaicProperties m;
public MethodAreaStaicProperties(String name){}
}
public static void testGC(){
MethodAreaStaicProperties s = new MethodAreaStaicProperties("properties");
s.m = new MethodAreaStaicProperties("parameter");
s = null;
}方法區(qū)中常量引用的對(duì)象
m 即為方法區(qū)中的常量引用，也為 GC Root，s 置為 null 后，final 對(duì)象也不會(huì)因沒有與 GC Root 建立聯(lián)系而被回收。
public class MethodAreaStaicProperties {
public static final MethodAreaStaicProperties m = MethodAreaStaicProperties("final");
public MethodAreaStaicProperties(String name){}
}
public static void testGC(){
MethodAreaStaicProperties s = new MethodAreaStaicProperties("staticProperties");
s = null;
}本地方法棧中引用的對(duì)象
任何 Native 接口都會(huì)使用某種本地方法棧，實(shí)現(xiàn)的本地方法接口是使用 C 連接模型的話，那么它的本地方法棧就是 C 棧。當(dāng)線程調(diào)用 Java 方法時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的棧幀并壓入 Java 棧。然而當(dāng)它調(diào)用的是本地方法時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)保持 Java 棧不變，不再在線程的 Java 棧中壓入新的幀，虛擬機(jī)只是簡單地動(dòng)態(tài)連接并直接調(diào)用指定的本地方法。
怎么回收垃圾
在確定了哪些垃圾可以被回收后，垃圾收集器要做的事情就是開始進(jìn)行垃圾回收，但是這里面涉及到一個(gè)問題是：如何高效地進(jìn)行垃圾回收。由于Java虛擬機(jī)規(guī)范并沒有對(duì)如何實(shí)現(xiàn)垃圾收集器做出明確的規(guī)定，因此各個(gè)廠商的虛擬機(jī)可以采用不同的方式來實(shí)現(xiàn)垃圾收集器，這里我們討論幾種常見的垃圾收集算法的核心思想。
標(biāo)記清除算法（Mark-Sweep）是最基礎(chǔ)的一種垃圾回收算法，它分為2部分，先把內(nèi)存區(qū)域中的這些對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記，哪些屬于可回收標(biāo)記出來，然后把這些垃圾拎出來清理掉。就像上圖一樣，清理掉的垃圾就變成未使用的內(nèi)存區(qū)域，等待被再次使用。
這邏輯再清晰不過了，并且也很好操作，但它存在一個(gè)很大的問題，那就是內(nèi)存碎片。
上圖中等方塊的假設(shè)是 2M，小一些的是 1M，大一些的是 4M。等我們回收完，內(nèi)存就會(huì)切成了很多段。我們知道開辟內(nèi)存空間時(shí)，需要的是連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域，這時(shí)候我們需要一個(gè) 2M的內(nèi)存區(qū)域，其中有2個(gè) 1M 是沒法用的。這樣就導(dǎo)致，其實(shí)我們本身還有這么多的內(nèi)存的，但卻用不了。
復(fù)制算法（Copying）是在標(biāo)記清除算法上演化而來，解決標(biāo)記清除算法的內(nèi)存碎片問題。它將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活著的對(duì)象復(fù)制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。保證了內(nèi)存的連續(xù)可用，內(nèi)存分配時(shí)也就不用考慮內(nèi)存碎片等復(fù)雜情況，邏輯清晰，運(yùn)行高效。
上面的圖很清楚，也很明顯的暴露了另一個(gè)問題，合著我這140平的大三房，只能當(dāng)70平米的小兩房來使？代價(jià)實(shí)在太高。
標(biāo)記整理算法
標(biāo)記整理算法（Mark-Compact）標(biāo)記過程仍然與標(biāo)記 --- 清除算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對(duì)可回收對(duì)象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對(duì)象都向一端移動(dòng)，再清理掉端邊界以外的內(nèi)存區(qū)域。
標(biāo)記整理算法一方面在標(biāo)記-清除算法上做了升級(jí)，解決了內(nèi)存碎片的問題，也規(guī)避了復(fù)制算法只能利用一半內(nèi)存區(qū)域的弊端?？雌饋砗苊篮?，但從上圖可以看到，它對(duì)內(nèi)存變動(dòng)更頻繁，需要整理所有存活對(duì)象的引用地址，在效率上比復(fù)制算法要差很多。
分代收集算法分代收集算法（Generational Collection）嚴(yán)格來說并不是一種思想或理論，而是融合上述3種基礎(chǔ)的算法思想，而產(chǎn)生的針對(duì)不同情況所采用不同算法的一套組合拳。對(duì)象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊。一般是把 Java 堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據(jù)各個(gè)年代的特點(diǎn)采用最適當(dāng)?shù)氖占惴āＴ谛律?，每次垃圾收集時(shí)都發(fā)現(xiàn)有大批對(duì)象死去，只有少量存活，那就選用復(fù)制算法，只需要付出少量存活對(duì)象的復(fù)制成本就可以完成收集。而老年代中因?yàn)閷?duì)象存活率高、沒有額外空間對(duì)它進(jìn)行分配擔(dān)保，就必須使用標(biāo)記-清理或者標(biāo)記 --- 整理算法來進(jìn)行回收。so，另一個(gè)問題來了，那內(nèi)存區(qū)域到底被分為哪幾塊，每一塊又有什么特別適合什么算法呢？
內(nèi)存模型與回收策略
Java 堆（Java Heap）是JVM所管理的內(nèi)存中大的一塊，堆又是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，這里我們主要分析一下 Java 堆的結(jié)構(gòu)。
Java 堆主要分為2個(gè)區(qū)域-年輕代與老年代，其中年輕代又分 Eden 區(qū)和 Survivor 區(qū)，其中 Survivor 區(qū)又分 From 和 To 2個(gè)區(qū)?？赡苓@時(shí)候大家會(huì)有疑問，為什么需要 Survivor 區(qū)，為什么Survivor 還要分2個(gè)區(qū)。不著急，我們從頭到尾，看看對(duì)象到底是怎么來的，而它又是怎么沒的。
Eden 區(qū)
IBM 公司的專業(yè)研究表明，有將近98%的對(duì)象是朝生夕死，所以針對(duì)這一現(xiàn)狀，大多數(shù)情況下，對(duì)象會(huì)在新生代 Eden 區(qū)中進(jìn)行分配，當(dāng) Eden 區(qū)沒有足夠空間進(jìn)行分配時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)發(fā)起一次 Minor GC，Minor GC 相比 Major GC 更頻繁，回收速度也更快。
通過 Minor GC 之后，Eden 會(huì)被清空，Eden 區(qū)中絕大部分對(duì)象會(huì)被回收，而那些無需回收的存活對(duì)象，將會(huì)進(jìn)到 Survivor 的 From 區(qū)（若 From 區(qū)不夠，則直接進(jìn)入 Old 區(qū)）。
Survivor 區(qū)
Survivor 區(qū)相當(dāng)于是 Eden 區(qū)和 Old 區(qū)的一個(gè)緩沖，類似于我們交通燈中的黃燈。Survivor 又分為2個(gè)區(qū)，一個(gè)是 From 區(qū)，一個(gè)是 To 區(qū)。每次執(zhí)行 Minor GC，會(huì)將 Eden 區(qū)和 From 存活的對(duì)象放到 Survivor 的 To 區(qū)（如果 To 區(qū)不夠，則直接進(jìn)入 Old 區(qū)）。
為啥需要？
不就是新生代到老年代么，直接 Eden 到 Old 不好了嗎，為啥要這么復(fù)雜。想想如果沒有 Survivor 區(qū)，Eden 區(qū)每進(jìn)行一次 Minor GC，存活的對(duì)象就會(huì)被送到老年代，老年代很快就會(huì)被填滿。而有很多對(duì)象雖然一次 Minor GC 沒有消滅，但其實(shí)也并不會(huì)蹦跶多久，或許第二次，第三次就需要被清除。這時(shí)候移入老年區(qū)，很明顯不是一個(gè)明智的決定。
所以，Survivor 的存在意義就是減少被送到老年代的對(duì)象，進(jìn)而減少 Major GC 的發(fā)生。Survivor 的預(yù)篩選保證，只有經(jīng)歷16次 Minor GC 還能在新生代中存活的對(duì)象，才會(huì)被送到老年代。
為啥需要倆？
設(shè)置兩個(gè) Survivor 區(qū)大的好處就是解決內(nèi)存碎片化。
我們先假設(shè)一下，Survivor 如果只有一個(gè)區(qū)域會(huì)怎樣。Minor GC 執(zhí)行后，Eden 區(qū)被清空了，存活的對(duì)象放到了 Survivor 區(qū)，而之前 Survivor 區(qū)中的對(duì)象，可能也有一些是需要被清除的。問題來了，這時(shí)候我們?cè)趺辞宄鼈?？在這種場景下，我們只能標(biāo)記清除，而我們知道標(biāo)記清除大的問題就是內(nèi)存碎片，在新生代這種經(jīng)常會(huì)消亡的區(qū)域，采用標(biāo)記清除必然會(huì)讓內(nèi)存產(chǎn)生嚴(yán)重的碎片化。因?yàn)?Survivor 有2個(gè)區(qū)域，所以每次 Minor GC，會(huì)將之前 Eden 區(qū)和 From 區(qū)中的存活對(duì)象復(fù)制到 To 區(qū)域。第二次 Minor GC 時(shí)，F(xiàn)rom 與 To 職責(zé)兌換，這時(shí)候會(huì)將 Eden 區(qū)和 To 區(qū)中的存活對(duì)象再復(fù)制到 From 區(qū)域，以此反復(fù)。
這種機(jī)制大的好處就是，整個(gè)過程中，永遠(yuǎn)有一個(gè) Survivor space 是空的，另一個(gè)非空的 Survivor space 是無碎片的。那么，Survivor 為什么不分更多塊呢？比方說分成三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)?顯然，如果 Survivor 區(qū)再細(xì)分下去，每一塊的空間就會(huì)比較小，容易導(dǎo)致 Survivor 區(qū)滿，兩塊 Survivor 區(qū)可能是經(jīng)過權(quán)衡之后的最佳方案。
Old 區(qū)
老年代占據(jù)著2/3的堆內(nèi)存空間，只有在 Major GC 的時(shí)候才會(huì)進(jìn)行清理，每次 GC 都會(huì)觸發(fā)“Stop-The-World”。內(nèi)存越大，STW 的時(shí)間也越長，所以內(nèi)存也不僅僅是越大就越好。由于復(fù)制算法在對(duì)象存活率較高的老年代會(huì)進(jìn)行很多次的復(fù)制操作，效率很低，所以老年代這里采用的是標(biāo)記 --- 整理算法。
除了上述所說，在內(nèi)存擔(dān)保機(jī)制下，無法安置的對(duì)象會(huì)直接進(jìn)到老年代，以下幾種情況也會(huì)進(jìn)入老年代。
大對(duì)象
大對(duì)象指需要大量連續(xù)內(nèi)存空間的對(duì)象，這部分對(duì)象不管是不是“朝生夕死”，都會(huì)直接進(jìn)到老年代。這樣做主要是為了避免在 Eden 區(qū)及2個(gè) Survivor 區(qū)之間發(fā)生大量的內(nèi)存復(fù)制。當(dāng)你的系統(tǒng)有非常多“朝生夕死”的大對(duì)象時(shí)，得注意了。
長期存活對(duì)象
虛擬機(jī)給每個(gè)對(duì)象定義了一個(gè)對(duì)象年齡（Age）計(jì)數(shù)器。正常情況下對(duì)象會(huì)不斷的在 Survivor 的 From 區(qū)與 To 區(qū)之間移動(dòng)，對(duì)象在 Survivor 區(qū)中每經(jīng)歷一次 Minor GC，年齡就增加1歲。當(dāng)年齡增加到15歲時(shí)，這時(shí)候就會(huì)被轉(zhuǎn)移到老年代。當(dāng)然，這里的15，JVM 也支持進(jìn)行特殊設(shè)置。
動(dòng)態(tài)對(duì)象年齡
虛擬機(jī)并不重視要求對(duì)象年齡必須到15歲，才會(huì)放入老年區(qū)，如果 Survivor 空間中相同年齡所有對(duì)象大小的總合大于 Survivor 空間的一半，年齡大于等于該年齡的對(duì)象就可以直接進(jìn)去老年區(qū)，無需等你“成年”。
這其實(shí)有點(diǎn)類似于負(fù)載均衡，輪詢是負(fù)載均衡的一種，保證每臺(tái)機(jī)器都分得同樣的請(qǐng)求?？此坪芫猓颗_(tái)機(jī)的硬件不通，健康狀況不同，我們還可以基于每臺(tái)機(jī)接受的請(qǐng)求數(shù)，或每臺(tái)機(jī)的響應(yīng)時(shí)間等，來調(diào)整我們的負(fù)載均衡算法。
本文部分內(nèi)容參考自書籍：《深入理解Java虛擬機(jī)》。
本文作者：
聶曉龍（花名：率鴿），阿里巴巴高級(jí)開發(fā)工程。
