Java虚拟机学习笔记——垃圾收集器和内存分配（上）

      说起GC(Garbage Collection)大家可能都不陌生，就是对当前内存中不再使用的“垃圾”内存进行回收和释放，如果想要做好GC,首先要考虑的就是三件事：

 

1. 哪些内存需要回收
2. 应该如何回收这些内存
3. 应该在何时回收

    在Java虚拟机中，虚拟机栈，程序计数器和本地方法栈都是线程私有的，随着线程启动和停止而分配和释放内存，这样的区域所使用的内存，几乎是可控的，所以没必要过多的考虑回收的问题。需要注意的是Java堆和方法区，这些既是线程共享而且某一个接口的实现类需要多少内存，在运行之前也无从得知，所以它们的内存分配和回收都是动态的，这也是我们要讨论的重点。众所周知，堆中几乎是保存着Java中所有的对象，要是进行内存回收，首先就要知道哪些对象是“死的”不在使用，比较普遍的判断方法是引用计数算法和根搜索算法。

1. 引用计数算法

     其中引用计数方法就是为每个对象添加一个引用计数器，当有地方引用它的时候，计数器就+1，引用失效之后计算器就-1，认为当引用计数器为0时候，该对象不再被引用可以回收，但是算法有一个缺点或者说是不准确之处就是不能解决相互循环引用的问题，比如说现有两个对象objectA和objectB，互为成员属性于此同时再无其他引用。它们的引用计算器都为1，但是不可能成为其他的引用，这样GC又不能进行内存回收。2

    2.根搜算法

   

     在主流的商用程序语言中(Java和C#)，都是使用根搜索算法(GC Roots Tracing)判断对象是否存活的。这个算法的基本思路就是通过一系列名为"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时，则证明此对象是不可用的，如图所示对象object 5、object 6、object 7虽然互相有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将会被判定为是可回收的对象。

   在Java语言里，可作为GC Roots对象的包括如下几种：
   a.虚拟机栈(栈桢中的本地变量表)中的引用的对象
   b.方法区中的类静态属性引用的对象
   c.方法区中的常量引用的对象
   d.本地方法栈中JNI的引用的对象

   引用的分类

 

   无论是通过引用计数算法判断对象的引用数量，还是通过根搜索算法判断对象的引用链是否可达，判定对象是否存活都与“引用”有关。为了描述一些“食之无味，弃之可惜”的对象就显得无能为力。我们希望能描述这样一类对象：当内存空间还足够时，则能保留在内存之中；如果内存在进行垃圾收集后还是非常紧张，则可以抛弃这些对象。很多系统的缓存功能都符合这样的应用场景。

   在JDK 1.2之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用（Strong Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用（Phantom Reference）四种，这四种引用强度依次逐渐减弱。

 

   强引用就是指在程序代码之中普遍存在的，类似“Object obj = new Object()”这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。

 

   软引用用来描述一些还有用，但并非必需的对象。对于软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围之中并进行第二次回 收。如果这次回收还是没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。在JDK 1.2之后，提供了SoftReference类来实现软引用。

 

   弱引用也是用来描述非必需对象的，但是它的强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当垃圾收集器工作时，无论当前内 存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。在JDK 1.2之后，提供了WeakReference类来实现弱引用。

 

   虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对 象实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是希望能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。在JDK 1.2之后，提供了PhantomReference类来实现虚引用。

   在根搜索算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：如果对象在进 行根搜索后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖 finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。

   如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法，那么这个对象将会被放置在一个名为F-Queue的队列之中，并在稍后由一条由虚拟机自动建立 的、低优先级的Finalizer线程去执行。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法，但并不承诺会等待它运行结束。这样做的原因是，如果一个对象 在finalize()方法中执行缓慢，或者发生了死循环（更极端的情况），将很可能会导致F-Queue队列中的其他对象永久处于等待状态，甚至导致整 个内存回收系统崩溃。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象 要在finalize()中成功拯救自己—只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，譬如把自己（this关键字）赋值给某个类变量或对象的成员变 量，那在第二次标记时它将被移除出“即将回收”的集合；如果对象这时候还没有逃脱，那它就真的离死不远了。

   虽然对象可以通过在finalize()方法中“获得新生”，但是任何一个对象的finalize()只会被调用一次。此外它的运行代价高昂，不确定性大，无法保证各个对象的调用顺序，不建议使用。

  

   回收方法区

 

   很多人认为方法区（或者HotSpot虚拟机中的永久代）是没有垃圾收集的，Java虚拟机规范中确实说过可以不要求虚拟机在方法区实现垃圾收集，而且在 方法区进行垃圾收集的“性价比”一般比较低：在堆中，尤其是在新生代中，常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收70%~95%的空间，而永久代的垃圾收集 效率远低于此。

   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。回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。以常量池中字面量的回收为例，假如一个字符串 “abc”已经进入了常量池中，但是当前系统没有任何一个String对象是叫做“abc”的，换句话说是没有任何String对象引用常量池中的 “abc”常量，也没有其他地方引用了这个字面量，如果在这时候发生内存回收，而且必要的话，这个“abc”常量就会被系统“请”出常量池。常量池中的其 他类（接口）、方法、字段的符号引用也与此类似。

   判定一个常量是否是“废弃常量”比较简单，而要判定一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面3个条件才能算是“无用的类”：

   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。

   虚拟机可以对满足上述3个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“可以”，而不是和对象一样，不使用了就必然会回收。是否对类进行回收，HotSpot虚 拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用-verbose:class及-XX:+TraceClassLoading、 -XX:+TraceClassUnLoading查看类的加载和卸载信息。

   在大量使用反射、动态代理、CGLib等bytecode框架的场景，以及动态生成JSP和OSGi这类频繁自定义ClassLoader的场景都需要虚拟机具备类卸载的功能，以保证永久代不会溢出。