深入理解Java虚拟机---垃圾收集算法

如何判定对象是否存活

引用计数法

引用计数算法利用额外的内存空间来进行计数，在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加一；当引用失效时，计数器值就减一；任何时刻计数器为零的对象就是不可能再被使用的。

可达性分析法

基本思路就是通过一系列称为GC Roots的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径称为“引用链”， 如果某个对象到GC Roots间没有任何引用链相连，则此对象不可能再被使用。
在可达性分析算法中判定为不可达的对象，至少要经历两次标记过程才能被销毁：（1）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，（2）随后进行一次筛选， 筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。 假如对象：没有覆盖finalize()方法或者finalize()方法已经被虚拟机调用过了一次 ，虚拟机将此情况视为“没有必要执行”。
Java技术体系中，可作为GC Roots的对象包括以下几种：
（1）虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象 ，譬如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等。
（2）方法区中类静态属性引用的对象 ，如Java类的引用类型静态变量。
（3）在方法区中常量引用的对象 ，如字符串常量池里的引用。
（4）在本地方法栈中JNI引用的对象。

Java引用类型

Java中引用分为以下四类：
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JDK1.2之后,提供了 SoftReference类来实现软引用。
弱引用
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
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。

垃圾回收算法

标记-清除算法

算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。
标记清除算法主要有两个不足：
（1）效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；
（2）空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

复制算法

将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。

标记-整理算法

标记-整理”算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

分代收集算法

根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而在老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或者“标记-整理”算法来进行回收。

HotSpot的算法实现

枚举根节点

在HotSpot的实现中，使用一组称为OopMap的数据结构来得知哪些地方存放着对象引用，在类加载完成的时候，HotSpot就把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来，在JIT编译过程中，也会在特定的位置记录下栈和寄存器中哪些位置是引用。这样，GC在扫描时就可以直接得知这些信息。

安全点

在OopMap的协助下，HotSpot可以快速且准确地完成GC Roots枚举，但可能导致引用关系变化或者OopMap内容变化的指令非常多，如果为每一条指令都生成对应的OopMap，那将会需要大量的额外空间，GC的空间成本将会变高。
HotSpot也的确没有为每条指令都生成OopMap，只是在“特定的位置”记录了这些信息，这些位置称为安全点，即程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC，只有在达到安全点时才能暂停。安全点的选定基本上是以程序“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准进行选定的——因为每条指令执行的时间都非常短暂，程序不太可能因为指令流长度太长这个原因而过长时间运行，“长时间执行”的最明显特征就是指令序列复用，例如方法调用、循环跳转、异常跳转等，所以具有这些功能的指令才会产生安全点。
对于安全点，另一个需要考虑的问题是如何在GC发生时让所有线程（不包括执行JNI调用的线程）都“跑”到最近的安全点上再停顿下来。这里有两种方案可供选择：抢先式中断和主动式中断，其中抢先式中断不需要线程的执行代码主动去配合，在GC发生时，首先把所有的线程全部中断，如果发现有线程中断的地方不再安全点上，就恢复线程，让它“跑”到安全点上。现在几乎没有虚拟机实现采用抢先式中断来暂停线程从而响应GC事件的。而主动式中断的思想是当GC需要中断线程的时候，不直接对线程操作，仅仅简单地设置一个标志，各个线程执行时主动去轮询这个标志，发现中断标志为真时就自己中断挂起。轮询标志的地方和安全点是重合的，另外再加上创建对象需要分配内存的地方。

安全区域

安全点机制保证了程序执行时，在不太长的时间内就会遇到可进入GC的安全点，但是程序没有被分配到CPU时间，典型的例子就是线程处于Sleep状态或者Blocked状态，这时候线程无法响应JVM的中断请求，“走”到安全的地方去中断挂起，JVM也显然不太可能等待线程重新被分配CPU时间。对于这种情况，就需要安全区域来解决。安全区域是指在一段代码片段之中，引用关系不会发生变化。在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的。在线程执行到安全区域中的代码时，首先标记自己已经进入了安全区域，那样，当在这段时间里JVM要发起GC时，就不用管标志自己为安全区域状态的线程了。在线程要离开安全区域时，它要检查系统是否已经完成了根节点枚举，如果完成了，那线程就继续执行，否则它就必须等待直到收到可以安全离开安全区域的信号为止。

来源：《深入理解Java虚拟机》