JVM的垃圾回收机制

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JVM垃圾回收算法概述

Java 语言的一大特点就是可以进行自动垃圾回收处理，而无需开发人员过于关注系统资源，例如内存资源的释放情况。自动垃圾收集虽然大大减轻了开发人员的工作量，但是也增加了软件系统的负担。
Java在进行垃圾回收之前需要考虑两个问题，即：

  1. 哪些内存需要回收？
  2. 如何回收？
    其中，第一个问题描述的是如何判断对象已经不需要了，死了，可以回收了。第二个问题则解决了采用哪种垃圾回收算法来回收。下面详细的介绍上述3个问题的解决方法。

    如何判断对象可以进行回收？

    判断对象”已死”通常有引用计数法和可达性分析算法两种方法。

    引用计数法

    引用计数器的实现很简单，对于一个对象 A，只要有任何一个对象引用了 A，则 A 的引用计数器就加 1，当引用失效时，引用计数器就减 1。只要对象 A 的引用计数器的值为 0，则对象 A 就不可能再被使用。
    可以看出，引用计数法很简单，但是存在一种“循环引用”的问题。例如：有对象 A 和对象 B，对象 A 中含有对象 B 的引用，对象 B 中含有对象 A 的引用。此时，对象 A 和对象 B 的引用计数器都不为 0。但是在系统中却不存在任何第 3 个对象引用他们。也就是说，A 和 B 是应该被回收的垃圾对象，但由于垃圾对象间相互引用，从而使垃圾回收器无法识别，引起内存泄漏。

    可达性分析算法

    在主流的商用程序语言（Java、 C#，甚至包括前面提到的古老的Lisp）的主流实现中，都是称通过可达性分析（Reachability Analysis）来判定对象是否存活的。 这个算法的基本思路就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说，就是从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。
    可作为GC Roots的对象有：
    • 虚拟机栈（栈中的本地变量表）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

      对方法区(永久代)的回收

      永久代的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。 对于常量回收，只要这个常量没有被任何引用，那么就可以进行垃圾回收。要判断一个类是否是无用的类的条件则要苛刻的多，满足以下条件：
    • 该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例。
    • 加载该类的ClassLoader已经被回收。
    • 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。

      垃圾回收算法

      标记-清除算法

      该算法分为两个阶段，即标记和清除。通过可达性分析算法，标记的阶段就是找出可以回收的对象。清除就是将这些区域重新可以使用。
      该算法有两个不足：
    • 效率问题。标记和清除的效率都不高。
    • 空间问题。进行标记-清除算法后，将会产生不连续的内存碎片，可能导致无法分配大对象而又进行垃圾收集。
      算法的描述如图所示：
      标记清除算法图

      复制算法

      为了解决效率问题，该算法将内存区域划分为两个相同的部分，记为A和B。一次只使用其中的一半，在需要对A进行垃圾收集时，则将A中存活的对象复制到区域B，然后对A进行清空即可。
      该算法不会产生碎片，实现简单，运行高效。但是该算法使得可用的内存下降为一半，代价太高了。
      算法的描述如图所示：
      复制算法图
      现在的虚拟机通常采用该算法进行新生代的垃圾收集，然而并不是按照1:1的比例来进行内存划分，而是将内存划分为一块较大的Eden区和两个较小的Survivor区域（如A和B），每次进行内存分配只在Eden区和Survivor A区进行。当进行垃圾回收时，将上述两个区域中存活的对象全部复制到Survivor B区域，最后，对这两个区域进行清空。
      复制算法存在一种内存担保的现象，指的是当Eden和Survivor A区域存货的对象太多，Survivor B中放不下了，那么这些对象将直接进入老年代。

      标记-整理算法

      复制算法在对象存活率比较高的情况下，效率降低，因此复制算法不适用于老年代的垃圾收集。
      根据老年代的特点，标记-整理算法在对存活的对象进行标记后，不是将对象进行清除，而是将对象有序的向一端移动，然后清理掉边界以外的内存。
      算法的描述图如下：
      标记整理图

      分代收集算法

      分代收集指的是根据Java中不同区域中的对象的生存时间不同，将对象分为新生代和老年代。针对不同的区域，来使用不同的收集算法。例如：新生代每次存活的对象很少，那么就可以采用复制算法来对该区域进行垃圾回收；老年代每次收集时存活的对象较多，那么就可以采用标记-清除或者标记-整理算法来进行收集。

总结

本文介绍了Java中的垃圾收集机制以及常见的垃圾收集算法。Java的垃圾收集机制是Java的一个重要特性，用户无需手动释放内存，Java的GC机制能够满足大多数场景对于内存分配的要求。同时，本文在介绍了Java垃圾回收需要解决的问题，即如何判断对象已经可以回收以及如何进行回收（垃圾回收算法）。