垃圾回收机制（以Java为例）

垃圾回收(GC)

垃圾回收(Garbage Collection)，指的是对内存堆中长时间未使用的对象进行回收。

在Java中，垃圾回收通常是由JVM的GC线程自动完成的，开发者不需要手动实现。

如何定义垃圾

引用计数算法

引用计数算法(Reachability Counting)是通过在对象头中分配一个空间来存储该对象被引用的次数。如果该对象被其它对象引用，则它的引用计数加，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。

引用计数算法是将垃圾回收分摊到整个应用程序的运行当中，而不是在进行垃圾收集时挂起整个应用的运行，直到对堆中所有对象的处理都结束。因此，采用引用计数的垃圾收集不属于严格意义上的Stop-The-World的垃圾收集机制。

但是，现在JVM的垃圾回收机制是Stop-The-World的，考虑这个例子

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public class ReferenceCountingGC {

    public Object instance;

    public ReferenceCountingGC(String name) {
    }

    public static void testGC() {
        ReferenceCountingGC a = new ReferenceCountingGC("objA");
        ReferenceCountingGC b = new ReferenceCountingGC("objB");

        a.instance = b;
        b.instance = a;

        a = null;
        b = null;
    }
}

最后a和b两个对象都不再被访问，但是由于他们相互引用，导致它们的引用计数永远不会为0，也无法通过GC收集器回收它们。

可达性分析算法

可达性分析算法(Reachability Analysis)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，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连，即从GC Roots节点到该节点不可达时，该对象是不可用的。这种算法可以解决引用计数无法解决的循环依赖问题。

在Java语言中，可以作为GC Root的对象包括

  • 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
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public class StackLocalParameter {

    public StackLocalParameter(String name) {
    }

    public static void testGC() {
        StackLocalParameter s = new StackLocalParameter("localParameter");
        s = null;
        /*
         * 此时的 s为 GC Root，当s置空时，localParameter 对象也断掉了与 GC Root 的引用链，将被回收。
         */
    }
}
  • 方法区中类静态属性引用的对象
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public class MethodAreaStaicProperties {

    public static MethodAreaStaicProperties m;

    public MethodAreaStaicProperties(String name) {
    }

    public static void testGC() {
        MethodAreaStaicProperties s = new MethodAreaStaicProperties("properties");
        s.m = new MethodAreaStaicProperties("parameter");
        s = null;
        /*
         * s 为 GC Root，s 置为 null，经过 GC 后，s 所指向的 properties 对象由于无法与 GC Root 建立关系被回收。
         *  m 作为类的静态属性，也属于 GC Root，parameter 对象依然与 GC root 建立着连接，所以此时 parameter 对象并不会被回收。
         */
    }

}
  • 方法区中常量引用的对象
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public class MethodAreaStaicProperties {

    public static final MethodAreaStaicProperties m = MethodAreaStaicProperties("final");

    public MethodAreaStaicProperties(String name) {
    }

    public static void testGC() {
        MethodAreaStaicProperties s = new MethodAreaStaicProperties("staticProperties");
        s = null;
    }

}
  • 本地方法栈中JNI即Native方法引用的对象

如何回收垃圾

标记&清除算法(Mark&Sweep)

先把内存区域中的这些对象进行标记，哪些属于可回收标记出来，然后把这些垃圾拎出来清理掉。就像上图一样，清理掉的垃圾就变成未使用的内存区域，等待被再次使用。但这样会遗留很多内存碎片，导致可用堆空间不连续。

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，保证了内存的连续可用。但是这种算法代价过高。

标记&整理算法(Mark&Compact)

整理算法不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，再清理掉端边界以外的内存区域。但是，它堆内存变动更加频繁，效率很低。

分代收集算法

分代收集算法是融合上述3种基础的算法思想。对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把 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。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配，就使用Mark&Sweep或者Mark&Compact算法来进行回收。

参考资料

咱们从头到尾说一次 Java 垃圾回收