【JVM】垃圾回收机制

什么是垃圾回收机制

垃圾回收（Garbage Collection，GC），顾名思义就是释放垃圾占用的空间，防止内存泄露。有效的使用可以使用的内存，对内存堆中已经死亡的或者长时间没有使用的对象进行清除和回收。
Java 语言出来之前，大家都在拼命的写 C 或者 C++ 的程序，而此时存在一个很大的矛盾，C++ 等语言创建对象要不断的去开辟空间，不用的时候又需要不断的去释放控件，既要写构造函数，又要写析构函数，很多时候都在重复的 allocated，然后不停的析构。于是，有人就提出，能不能写一段程序实现这块功能，每次创建，释放控件的时候复用这段代码，而无需重复的书写呢？
1960年，基于 MIT 的 Lisp 首先提出了垃圾回收的概念，用于处理C语言等不停的析构操作，而这时 Java 还没有出世呢！所以实际上 GC 并不是Java的专利，GC 的历史远远大于 Java 的历史！

Java中为了简化对象的释放，引入了自动的垃圾回收机制。通过垃圾回收器来对不再使用的对象完成自动的回收，垃圾回收器主要对堆上的内容进行回收，其他很多现代语言C#、Python Go都有自己的垃圾回收器。

如何定义垃圾

引用计数器法

引用计数算法（Reachability Counting）是通过在对象头中分配一个空间来保存该对象被引用的次数（Reference Count）。如果该对象被其它对象引用，则它的引用计数加1，如果删除对该对象的引用，那么它的引用计数就减1，当该对象的引用计数为0时，那么该对象就会被回收。

缺点：存在循环引用的问题，当A引用B，B同时引用A时会出现对象无法回收的问题

可达性分析法

可达性分析算法（Reachability Analysis）的基本思路是，通过一些被称为引用链（GC Roots）的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径被称为（Reference Chain)，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时（即从 GC Roots 节点到该节点不可达），则证明该对象是不可用的。

可达性分析法解决了引用计数器中的存在的循环引用的问题。

哪些对象可以被称为GC Root对象

1、线程Thread对象。
2、系统类加载器加载的java.lang.Class对象。
3、监视器对象，用来保存同步锁synchronized关键字持有的对象。
4、本地方法调用时使用的全局对象。

常见的对象引用

可达性算法中描述的对象引用，一般指的是强引用，是GCRoot对象对普通对象有引用关系，只要这层关系存在，普通对象就不会被回收。

其他引用方式：

软引用

软引用：相对于强引用是一种比较弱的引用关系，如果一个对象只有软引用关联到它，当程序内存不足时，就会将软引用中的数据进行回收，在JDK1.2之后提供了SoftReference类来实现软引用，软引用常用于缓存中
软引用执行过程：

1.将对象使用软引用包装起来，new SoftReference<对象类型>（对象）。
2.内存不足时，虚拟机尝试进行垃圾回收。
3如果垃圾回收仍不能解决内存不足的问题，回收软引用中的对象。
4.如果依然内存不足，抛出OutOfMemory:异常。

软引用中的对象如果在内存不足时回收，SoftReference对象本身也需要被回收。如何知道哪些SoftReference对
象需要回收呢？
SoftReference提供了一套队列机制：
1、软引用创建时，通过构造器传入引用队列
2、在软引用中包含的对象被回收时，该软引用对象会被放入引用队列
3、通过代码遍历引用那队列，将SoftReference的强引用删除

弱引用

弱引用的整体机制和软引用基本一致，区别在于弱引用包含的对象在垃圾回收画时，不管内存够不够都会直接被回收。在JDK１.２之后提供了weakReference类来实现弱引用，弱引用只要在Thread Local中使用

其他引用：虚引用、终结器引用、强引用

垃圾回收算法

标记清除算法

● 标记阶段：将所有存活对象进行标记，Java中使用可达性分析算法，从GCRoot开始通过引用链遍历出所有存活对象
● 清除阶段，从该内存中删除没有被标记的对象

缺点

1、碎片化问题：
由于内存是连续的，所以在对象被删除之后，内存中会出现很多细小的可用内存单元。如果我们需要的是一个比较大的空间，很有可能这些内存单元的大小过小无法进行分配。

2、分配速度慢
由于内存碎片的存在，需要维护一个空闲链表，极有可能发生每次需要遍历到链表的最后才能获得合适的内存空间。

复制算法

1.准备两块空间From空间和To空间，每次在对象分配阶段，只能使用其中一块空间(Fro空间)。
2.在垃圾回收GC阶段，将From中存活对象复制到To空间。
3.将两块空间的From和To名字互换。

优点

1、吞吐量高：复制算法只需要遍历一次存活对象，复制到To空间即可，比标记-整理算法少了一次遍历的过程，因而性能较好，但是不如标记-清除算法，因为标记清除算法不需要进行对象的移动
2、不会发生碎片化：复制算法在复制之后就会将对象按顺序放入TO空间中，所以对象以外的区域都是可用空间。不存在碎片化内存空间。

缺点

每次只能让一半的内存空间来为创建对象使用

标记整理法

标记整理算法也叫标记压缩算法，是对标记清理算法中容易产生内存碎片问题的一种解决方案。
核心思想分为两个阶段：
1.标记阶段，将所有存活的对象进行标记。Jva中使用可达性分析算法，从GC Root开始通过引用链遍历出
所有存活对象。
2整理阶段，将存活对象移动到堆的一端。清理掉存活对象的内存空间。

优点

1、内存使用率高：整个堆内存都可以使用，不会像复制算法只能使用半个堆内存
2、在整理阶段可以将对象往内存的一侧进行移动，剩下的空间都是可以分配对象的有效空间

缺点

整理算法有很多种，比如L1sp2整理算法需要对整个堆中的对象搜索3次，整体性能不佳。可以通过Two一Finger、表格算法、ImmixGC等高效的整理算法优化此阶段的性能

分代垃圾算法

分代垃圾回收将整个内存区域划分为年轻代和老年代

分代回收时，创建出来的对象，首先会被放入Eden伊甸园区。
随着对象在Eden区越来越多，如果Eden区满，新创建的对象已经无法放入，就会触发年轻代的GC,称为Minor GC或者Young GC。
Minor GC会把需要eden中和From需要回收的对象回收，把没有回收的对象放入To区。

接下来，S0会变成To区，S1变成From区。当eden区满时再往里放入对象，依然会发生Minor GC.
此时会回收eden区和S1(from)中的对象，并把eden和from区中剩余的对象放入S0.
注意：每次Minor GC中都会为对象记录他的年龄，初始值为0，每次GC完加1。当值达到15的时候就会把该对象放到老年代
当老年代中空间不足，无法放入新的对象时，先尝试minor gc如果还是不足，就会触发Full GC,Full GC会对整个堆进行垃圾回收。
如果Full GC依然无法回收掉老年代的对象，那么当对象继续放入老年代时，就会抛出Out Of Memory异常。

总结

总的来说，垃圾回收机制是一项非常重要的技术，它解决了内存管理方面的难题，减轻了开发人员的负担，提高了程序的健壮性和可靠性。通过自动回收不再使用的内存资源，垃圾回收机制能够避免内存泄漏和悬空指针等问题，提高了程序的性能和效率。

然而，垃圾回收并非完美无缺，它也会带来一定的性能开销，因为垃圾回收机制需要占用一定的系统资源和时间。为了更好地利用垃圾回收机制，开发人员需要对内存管理有清晰的认识，并且在编写代码时尽量避免产生大量垃圾对象，合理地管理内存资源。

随着计算机技术的不断发展，垃圾回收机制也在不断改进和优化，未来有望在性能、效率和智能化方面取得更大的突破。同时，我们也需要不断学习和探索，以更好地利用垃圾回收机制，提高软件的质量和用户体验，为构建更加稳健和可靠的软件系统做出贡献。