Java虚拟机之垃圾收集器（7）

一、关于Java垃圾回收的简介

（1）Java 内存运行时区域的各个部分，其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈三个区域随线程而生，随线程而灭；栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作。

（2）每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的（尽管在运行期会由 JIT 编译器进行一些优化）,因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性.在这几个区域内不需要过多考虑回收的问题，因为方法结束或线程结束时，内存自然就跟随着回收了。

（3）而 Java 堆和方法区则不一样，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾收集器所关注的是这部分内存。

二、垃圾回收的一种方法：引用计数算法

我们在面试的时候，当问到如何判断对象是否存活，我们也许会回答：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加 1；当引用失效时，计数器值就减 1；任何时刻计数器都为 0 的对象就是不可能再被使用的。

这个答案是正确的，但是Java语言中并没有使用这种方法作为垃圾回收机制。引用计数算法，判定效率也很高，在大部分情况下它都是一个不错的算法，不使用的原因，其中最主要的是它很难解决对象之间的相互循环引用的问题。

例如：
对象 objA 和 objB 都有字段 instance，赋值令 objA.instance = objB 及 objB.instance = objA，除此之外，这两个对象再无任何引用，实际上这两个对象已经不可能再被访问，但是它们因为互相引用着对方，导致它们的引用计数都不为 0，于是引用计数算法无法通知 GC 收集器回收它们。

/**
 * 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，以便能在 GC 日志中看清楚是否被回收过
     */
    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，那么 objA 和 objB 是否能被回收？
        System.gc();
    }
}

从上边的代码运行结果中，意味着虚拟机并没有因为这两个对象互相引用就不回收它们，这也从侧面说明虚拟机并不是通过引用计数算法来判断对象是否存活的。

三、根搜索算法

这里都知道了，Java垃圾回收机制的话采用的是“根搜索算法”，来判断对象是否存活，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（用图论的话来说就是从 GC Roots 到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。

如下图所示，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 的对象包括下面几种：
（1）虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中的引用的对象。
（2）方法区中的类静态属性引用的对象。
（3）方法区中的常量引用的对象。
（4）本地方法栈中 JNI（即一般说的 Native 方法）的引用的对象。

四、引用的类型

我们对引用的理解也许很简单，就是：如果 reference类型的数据中存储的数值代表的是另外一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用。但是书上说的这种方式过于狭隘，一个对象在这种定义下只有被引用或者没有被引用两种状态，对于如何描述一些“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。

一般的引用类型分为强引用（ 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。

下边是四中类型的介绍：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

五、垃圾回收时候的两次标记

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。

下边一段代码我们可以看到一个对象的 finalize()被执行，但是它仍然可以存活。

/**
 * 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.
 */
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");
        }
    }
}

执行结果如下：

finalize mehtod executed!
yes, i am still alive
no, i am dead

代码中有两段完全一样的代码片段，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()方法都只会被系统自动调用一次，如果对象面临下一次回收，它的 finalize()方法不会被再次执行，因此第二段代码的自救行动失败了。

六、回收方法区

（以下是书上直接找的，不做理解）

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。