细说JVM（初步理解GC）

一、GC概述

我们经过细说JVM（Java内存区域划分AND初探对象的创建）的学习，已经知道Java在运行时内存分为了五个部分：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区。其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈所占用的内存是不需要垃圾收集的，这三个区域的内存随着线程生，随着线程死，我们需要关注的其实只有堆和方法区这两块内存的垃圾收集。

二、对象的生与死

我们在细说JVM（Java内存区域划分AND初探对象的创建）中已经学习过了JVM中对象的创建，那么我们现在就来学习一下如何判断一个堆中的对象是否已经死亡，毕竟我们只有在确定一个对象已经死了以后，我们才可以把这个对象占用的内存回收。
我们需要先定义对象什么时候算是死亡：不可能再被任何途径使用的对象
然后我们来看一下判断对象是否死亡的相关算法：

1、引用计数算法

思想：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器加1；当引用失效时，计数器减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

使用状况：引用计数算法是在JVM中被摒弃的一种对象存活判定算法，不过它也有一些知名的应用场景（如Python、FlashPlayer）。

优点和缺点：引用计数算法的实现简单，判定效率也很高，大部分情况下是一个不错的算法。它没有被JVM采用的原因是它很难解决对象之间循环引用的问题。例如如下代码：

/** * testGC()方法执行后，objA和objB会不会被GC呢？ */
public class ReferenceCountingGC {

    public Object instance = null;

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    /** * 这个成员属性的唯一意义就是占点内存，以便在能在GC日志中看清楚是否有回收过 */
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];

    public static void testGC() {
        ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;

        objA = null;
        objB = null;

        // 假设在这行发生GC，objA和objB是否能被回收？
        System.gc();
    }
    public static void main(String[] args) {
        testGC();
    }
}

在上面这段代码中，对象objA 和对象objB都有字段instance，赋值令objA.instance = objB;、objB.instance = objA;，除此之外，这两个对象再无引用。如果JVM采用引用计数算法来管理内存，这两个对象不可能再被访问，但是他们互相引用着对方，导致它们引用计数不为0，所以引用计数器无法通知GC收集器回收它们。
但是如果运行这段代码，分析一下这段代码的GC日志

我们就可以发现其实这两个对象所占用的内存已经被回收了，所以在JVM的垃圾收集器中并没有使用这种算法来判断对象是否死亡。（这里可以通过虚拟机参数-XX:+PrintGC来打印简单的GC日志）

2、可达性分析算法

思想：
通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起点，从这些节点向下搜索，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GC Roots 到这个对象不可达）时，则证明此对象时不可用的。用下图来加以说明：

上图中，对象object 5、object 6、object 7虽然互有关联，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。

首先你可能不太懂“GC Roots”是什么东西，在Java中，可作为GC Roots的对象包括以下几种：

• 虚拟机栈（栈帧中的局部变量表，Local Variable Table）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。

然后你可能会疑惑为啥为啥要用这些对象作为”GC Roots”，这里我找了一些资料，初步得出的结论是因为这些对象是存活的，我们只能通过一个活的对象来判断和它有关系的对象是存活的，因此选用这些区域内引用的对象作为GC Roots。其中虚拟机栈和本地方法栈都是线程私有的内存区域，只要线程没有终止，就能确保它们中引用的对象的存活。而方法区中类静态属性引用的对象是显然存活的。常量引用的对象在当前可能存活，因此，也可能是GC roots的一部分。

三、在Java中的引用分类

从JDK1.2版本开始，加入了对象的几种引用级别，从而使程序能够更好的控制对象的生命周期，帮助开发者能够更好的缓解和处理内存泄露的问题。

这几种引用级别由高到低分别为：强引用、软引用、弱引用和虚引用。

强引用：

平时我们编程的时候例如：Object object=new Object（）；那object就是一个强引用了。如果一个对象具有强引用，那就类似于必不可少的生活用品，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空 间不足，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。

软引用（SoftReference）：

如果一个对象只具有软引用，那就类似于可有可物的生活用品。如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存 空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。 软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联 的引用队列中。

弱引用（WeakReference）：

如果一个对象只具有弱引用，那就类似于可有可物的生活用品。弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程， 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。 弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

虚引用（PhantomReference）：

“虚引用”顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象 仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。 虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：虚引用必须和引用队列 （ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之 关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队 列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

四、对象的死亡过程

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也不是一定会死亡的，它们暂时都处于“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：

如果对象在进行可达性分析后发现没有与 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finaliza()方法。当对象没有覆盖finaliza()方法，或者finaliza()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finaliza()方法，那么此对象将会放置在一个叫做F-Queue的队列中，并在稍后由一个虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行它。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发此方法，但并不承诺会等待它运行结束，原因是：如果一个对象在finaliza()方法中执行缓慢，或者发生了死循环（更极端的情况），将很可能导致F-Queue队列中的其它对象永久处于等待，甚至导致整个内存回收系统崩溃。

finaliza()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 队列中的对象进行第二次小规模的标记。如果对象想在finaliza()方法中成功拯救自己，只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，例如把自己（this关键字）赋值给某个类变量或者对象的成员变量，这样在第二次标记时它将被移出“即将回收”的集合；如果对象这时候还没有逃脱，基本上它就真的被回收了。下面是《深入理解Java虚拟机》中的一个代码示例：

/**
 * 此代码演示了两点： 
 * 1.对象可以在被GC时自我拯救。 
 * 2.这种自救的机会只有一次，因为一个对象的finalize()方法最多只会被系统自动调用一次
 * @author zzm
 */
public class FinalizeEscapeGC {

    public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;

    public void isAlive() {
        System.out.println("yes, i am still alive :)");
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("finalize mehtod executed!");
        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;
    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();

        //对象第一次成功拯救自己
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        // 因为Finalizer方法优先级很低，暂停0.5秒，以等待它
        Thread.sleep(500);
        if (SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no, i am dead :(");
        }

        // 下面这段代码与上面的完全相同，但是这次自救却失败了
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        // 因为Finalizer方法优先级很低，暂停0.5秒，以等待它
        Thread.sleep(500);
        if (SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no, i am dead :(");
        }
    }
}

运行结果

值得注意的是，如果代码中有两段一模一样的代码段，执行结果却是一次逃脱成功，一次失败。这是因为任何一个对象的finalize()方法都只会被系统调用一次，如果对象面临下一次回收，它的finalize()方法不会再被执行，因此第二次逃脱行动失败。

需要说明的是，使用finalize()方法来“拯救”对象是不值得提倡的，因为它不是C/C++中的析构函数，而是Java刚诞生时为了使C/C++程序员更容易接受它所做的一个妥协。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。finalize()能做的工作，使用try-finally或者其它方法都更适合、及时，所以笔者建议大家可以忘掉此方法存在。

五、回收方法区

很多人以为方法区（或者HotSopt VM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，而且性价比一般较低，在对的新生代生一般能回收70%~95%的空间，而永久代远低于此。

永久代的垃圾手机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堆中的对象非常相似。以常量池中字面量的回收为例，若字符串“abc”已经进入常量池中，但当前系统没有任何String对象引用常量池中的“abc”常量，也没有其他地方引用该字面量，若发生内存回收，且必要的话，该“abc”就会被系统清理出常量池。常量池中其他的类（接口）、方法、字段的符号引用与此类似。

无用的类需要满足3个条件：

（1）该类所有的实例都已经被回收，即Java堆中不存在该类的任何实例；
（2）加载该类的ClassLoader已经被回收；
（3）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，此处仅仅是“可以”，而并不是和对象一样（不使用了就必然回收）

最后

以上就是过时火为你收集整理的细说JVM（初步理解GC）的全部内容，希望文章能够帮你解决细说JVM（初步理解GC）所遇到的程序开发问题。

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