垃圾收集算法

1.如何判断对象是否存活？

1.1引用计数算法

基本思路：

在对象中添加一个引用计数器
每当有一个地方引用它的时候，计数器就加+1
每当有一个引用失效的时候，计数器就减-1
当计数器的值为0的时候，那么该对象就是可被GC回收的垃圾对象

存在的问题：对象循环引用

a 对象引用了 b 对象，b 对象也引用了 a 对象，a、b 对象却没有再被其他对象所引用了，其实正常来说这两个对象已经是垃圾了，因为没有其他对象在使用了，但是计数器内的数值却不是 0，所以引用计数算法就无法回收它们。

1.2. 可达性分析算法

又称为根可达性算法

基本思路：

过定义了一系列称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集，从 GC Roots 开始，根据引用关系往下进行搜索，查找的路径我们把它称为 "引用链" 。当一个对象到 GC Roots之间没有任何引用链相连时（对象与GC Roots之间不可达），那么该对象就是可被GC回收的垃圾对象。

可达性分析算法也是JVM 默认使用的寻找垃圾算法。

例如：

Object 6、Object 7、Object 8彼此之前有引用关系，但是没有与"GC Roots"相连，那么就会被当做垃圾所回收。

2.Java 中的四种引用类型

无论上述哪种算法，我们都可以看到引用在其中的重要作用。

2.1.强引用（Strong Reference）

强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足时，JVM 即使抛出OOM错误，使程序异常终止，也不会随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。

Object strongReference = new Object();

如果强引用对象不使用时，需要弱化从而使GC能够回收。

弱化方式1

显式地设置strongReference对象为null，gc认为该对象不存在引用，这时就可以回收这个对象。

注意：具体什么时候收集取决于GC算法，例如，strongReference是全局变量时，就需要在不用这个对象时赋值为null，因为强引用不会被垃圾回收。

strongReference = null;

弱化方式2：

让对象超出作用域范围。在一个方法的内部有一个强引用，这个引用保存在VM Stack栈中（GC Root），而真正的引用对象(Object)保存在堆中。当这个方法运行完成后，就会退出方法栈，则这个对象会被回收。

public void test() {
Object strongReference = new Object();
// 省略其他操作
}

2.2. 软引用（Soft Reference）

如果一个对象只具有软引用，则内存空间充足时，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。所以，软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

// 软引用
String str = new String("abc");
SoftReference<String> softReference = new SoftReference<String>(str);

// 访问软引用
softReference.get();

当内存不足时，JVM首先将软引用中的对象引用置为null，然后通知垃圾回收器进行回收：

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        //强引用
        String strongReference = new String("abc");

        String str = new String("just do do");
        //弱引用，进行保护，内存充足不回收。
        SoftReference<String> softReference = new SoftReference<>(str);
        str = null;

        // Notify GC
        System.gc();

        try {
            byte[] buff1 = new byte[900000000]; // 内存充沛
//            byte[] buff2 = new byte[900000000];
//            byte[] buff3 = new byte[900000000];
//            byte[] buff4 = new byte[900000000]; // 内存不足
        } catch (Error e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(strongReference);
        System.out.println(softReference.get()); // just do do 或 null
    }
}

内存充足：

内存不足：

上述案例可以看出：强引用与软引用在内存不足时的回收情况。

2.3. 弱引用（Weak Reference）

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。

创建弱引用，使用WeakReference：

public static void main(String[] args) {
        String str = new String("abc");
        WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str);
        str = null;

        System.gc();

        // 一旦发生GC，弱引用一定会被回收
        System.out.println(weakReference.get());//结果为null
    }

2.4. 虚引用（Phantom Reference）

虚引用是最弱的一种引用关系，如果一个对象仅持有虚引用，完全不会对其生存时间构成影响，它就和没有任何引用一样，随时可能会被回收。

虚引用，主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动，可以在垃圾收集时收到一个系统通知。

3.垃圾收集算法

2.1. 分代收集理论

目前主流JVM虚拟机中的垃圾收集器，都遵循分代收集理论：

弱分代：绝大多数对象都是朝生夕灭
强分代：经历越多次垃圾收集过程的对象，越难以回收，难以消亡

按照分代收集理论设计的“分代垃圾收集器”，所采用的设计原则：收集器应该将Java堆划分成不同的区域，然后将回收对象依据其年龄（年龄即对象经历过垃圾收集过程的次数）分配到不同的区域存储。

2.2.分代存储

如果一个区域中大多数对象都是朝生夕灭（新生代），难以熬过垃圾收集过程的话，把它们集中存储在一起，每次回收时，只关注如何保留少量存活对象，而不是去标记大量将要回收的对象，就能以较低代价回收到大量的空间。

如果一个区域中大多数对象都是难以回收（老年代），那么把它们集中放在一起，JVM虚拟机就可以使用较低的频率，来对这个区域进行回收。

2.3.分代收集

垃圾收集类型划分：

部分收集（Partial GC）：没有完整收集整个Java堆的垃圾收集，其中又分为：

- 新生代收集（Minor GC / Young GC）
- 老年代收集（Major GC / Old GC）
- 混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代和部分老年代的垃圾收集。

整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆的垃圾收集。

2.4.具体垃圾收集算法

在Java堆区划分成不同区域后，垃圾收集器才可以针对不同的区域，安排与该区域存储对象存亡特征相匹配的垃圾收集算法：标记-复制算法、标记-清除算法、标记-整理算法等。

2.4.1.标记-清除算法( Mark-Sweep )

实现思路：

分为“标记”和“清除”阶段：首先标记出所有不需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有没有被标记的对象。它是最基础的收集算法，后续的算法都是对其不足进行改进得到。

存在的问题：

执行效率不稳定问题：如果执行垃圾收集的区域，大部分对象是需要被回收的，则需要大量的标记和清除动作，导致效率变低。
内存空间碎片化问题：标记清除后会产生大量不连续的碎片，空间碎片太多，会导致分配较大对象时，无法找到足够的连续空间，从而会触发新的垃圾收集动作。

黑色：可回收对象蓝色：存活对象白色：未使用空间

2.4.2.标记-复制算法 ( Copying )

“标记-复制”收集算法简称“复制算法”，为了解决“标记-清除”面对大量可回收对象时执行效率低下的问题。

实现思路：
该算法将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把已使用的空间一次清理掉。

存在的问题：

对象存活率较高，需要进行较多的内存间复制，效率降低
浪费过多的内存，使现有的可用空间变为原先的一半

2.4.3. 标记-整理算法 ( Mark-Compact )

实现思路：

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回收，而是让所有存活的对象向内存空间一端移动，然后直接清理边界以外的内存，这样清理的机制，不会像标记-清除那样留下大量的内存碎片。

综上所述：

当前虚拟机的垃圾收集都基于分代收集思想，根据对象存活周期的不同，将内存分为几个不同的区域，在不同的区域选择使用合适的垃圾收集算法。

例如：Heap 堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点，从存活几率和额外的空间中选择合适的垃圾收集算法，