Java垃圾回收、引用计数法、根可达算法

1.概述

提到垃圾回收，顾名思义，就是把已经分配出去的，但却不再使用的内存回收回来。对于JVM来说，垃圾指的是在堆中死亡的对象所占据的内存空间。

那么自然而然的，我们就能够提出一个问题：怎么知道对象死没死？由这个问题让我们引出俩个比较有名的思路：

1.引用计数法

引用计数法是一个颇为古老的方式，原因它有致命的缺点。先不说缺点，咱们看一看它的思路。

它的做法是为每个对象添加一个引用计数器，用来统计指向该对象的引用个数。一旦某个对象的引用计数器为0，则说明该对象已经死亡，便可以被回收了。

它的具体实现是这样子的：如果有一个引用，被赋值为某一对象，那么将该对象的引用计数器+1。如果一个指向某一对象的引用，被赋值为其他值，那么将该对象的引用计数器 -1。

对于引用计数法来说，除了需要额外的空间来存储计数器，以及繁琐的更新计数器以外；引用计数法还有一个重大的漏洞：无法处理循环引用。

假设对象 a 与 b 相互引用，除此之外没有其他引用指向 a 或者 b。在这种情况下，a 和 b 实际上已经死了，但由于它们的引用计数器皆不为 0，在引用计数法的心中，这两个对象还活着。因此，这种情况下就造成了内存泄露。

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因为main方法才是我们需要的对象，正在使用的，那么 A-B-C-D都是在使用的，但是 E-F-H三者互相引用，导致无法用标记清除法回收。

所以目前 Java 虚拟机的主流垃圾回收器采取的是可达性分析算法。

2.可达性分析

2.1、基本概念

这种算法的思路在于：将一系列被称为GC Roots的变量作为初始的存活对象合集，然后从该合集出发，所有能够被该集合引用到的对象，并将其加入到该集合中，而不能被该合集所引用到的对象，并可对其宣告死亡。

那么什么是 GC Roots 呢？

注意这句话：GC Roots是一些由堆外指向堆内的引用，

一般而言，GC Roots 包括（但不限于）如下几种：

Java 方法栈桢中的局部变量；已加载类的静态变量；JNI handles；已启动且未停止的 Java 线程。可达性分析可以解决引用计数法所不能解决的循环引用问题。举例来说，即便对象 a 和 b 相互引用，只要从 GC Roots 出发无法到达 a 或者 b，那么a和b就是死亡的对象。

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如这个图，网上的资料一般都没说，根是什么？根就可以理解为main方法，你main方法就是根，你这这里new出来的对象，就是最开始的根，比如A。

根可达就是从mian方法往里面找，一直能找到最末尾的都是可达的，比如CD，但是 EFH三个，从根是找不到的，这就是垃圾。

虽然可达性分析的算法本身很简明，但是在实践中还是有不少其他问题需要解决的。

2.2、多线程环境存在问题

在多线程环境下，其他线程可能会更新已经访问过的对象中的引用，而我们的可达性分析线程却没有同步到最新的内容。那么就会造成误报或者漏报。

对于JVM来说漏报顶多损失了部分垃圾回收的机会。漏报则比较麻烦，因为垃圾回收器可能回收了仍被引用的对象…

怎么解决这个问题呢？

2.2.1、Stop-the-world以及安全点

在 Java 虚拟机里，传统的垃圾回收算法采用的是一种简单粗暴的方式，那便是 Stop-the-world，停止其他非垃圾回收线程的工作，直到完成垃圾回收。这也就造成了垃圾回收所谓的暂停时间（GC pause）。

Java 虚拟机中的 Stop-the-world 是通过安全点（safepoint）机制来实现的。当 Java 虚拟机收到 Stop-the-world 请求，它便会等待所有的线程都到达安全点，才会停止所有线程，并允许请求Stop-the-world的那个线程进行独占的工作。

当然也并非蛮横的强制停止，毕竟多线程情况下，啥事都可能发生。安全点的初始目的并不是让其他线程停下，而是找到一个稳定的执行状态。在这个执行状态下，Java 虚拟机的堆栈不会发生变化。

3、垃圾回收的三种方式

通过上文我们聊到的可达性分析，我们可以对死亡对象宣判死刑。那么接下来我们便可以对死亡对象进行回收工作了。主流的基础回收方式可分为三种。

3.1、清除（sweep）

常见的一种叫法：标记清除

思想：把死亡对象所占据的内存标记为空闲内存，并记录在一个空闲列表（free list）之中。当需要新建对象时，内存管理模块便会从该空闲列表中寻找空闲内存，并划分给新建的对象。

清除这种回收方式的原理及其简单，但是有两个缺点：

1. 造成内存碎片。由于 Java 虚拟机的堆中对象必须是连续分布的，因此可能出现总空闲内存足够，但是无法分配的极端情况。比如：总空间100M，此时我们需要申请100M的数组。但是由于内存不连续，因此我们就会申请失败。
2. 分配效率较低。如果是一块连续的内存空间，那么我们可以通过指针加法（pointer bumping）来做分配。而对于空闲列表，Java 虚拟机则需要逐个访问列表中的项，来查找能够放入新建对象的空闲内存。

3.2、压缩（compact）

常见的一种叫法：标记整理

思想：把存活的对象聚集到内存区域的起始位置，从而留下一段连续的内存空间。

这种做法优缺点都比较的明显：

优点：能够解决内存碎片化的问题缺点：压缩算法的性能开销

3.3、复制（copy）

思想：把内存区域分为两等分，分别用两个指针 from 和 to 来维护，并且只是用 from 指针指向的内存区域来分配内存。当发生垃圾回收时，便把存活的对象复制到 to 指针指向的内存区域中，并且交换 from 指针和 to 指针的内容。

这种做法的优缺点同样明显：

优点：能够解决内存碎片化的问题缺点：堆空间的使用效率极其低下（毕竟分成两半，一次只使用一半）

4、现代设计方案

经研究发现，大多数的对象其实死的很快。因此，现在的垃圾回收器采用上述三种方式并存的思路：

一般是把Java堆分作新生代和老年代，根据各个年代的特点采用最适当的收集算法：

新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就用复制算法，只要少量复制成本就可以完成收集。老年代中因为对象的存活率较高、周期长，就用标记-整理或标记-清除算法来回收。稍稍正式官方的描述：Java 虚拟机将堆划分为新生代和老年代。其中，新生代又被划分为 Eden 区，以及两个大小相同的 Survivor 区。分别用 from 和 to 来指代。其中 to 指向的 Survivior 区是空的。

如果Eden区不够分配，那么就会触发Minor GC。而此时Eden 区和 from 指向的 Survivor 区中的存活对象会被复制到 to 指向的 Survivor 区中，然后交换 from 和 to 指针，以保证下一次 Minor GC 时，to 指向的 Survivor 区还是空的。

Java 虚拟机会记录 Survivor 区中的对象一共被来回复制了几次。如果一个对象被复制的次数为 15，

可以通过虚拟机参数 -XX:+MaxTenuringThreshold进行设置。

那么该对象将被放到老年代。另外，如果单个 Survivor 区已经被占用了 50%，

可以通过虚拟机参数 -XX:TargetSurvivorRatio进行设置

那么较高复制次数的对象也会被晋升至老年代。

而以上的过程，可以用一个图，轻松的描述清楚：

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